中國太空人首次在軌進入實驗艙 揭秘20噸級問天、天和成功「牽手」關鍵技術

神舟十四號航天員乘組於7月25日10時03分成功開啟問天實驗艙艙門，順利進入問天實驗艙。這是中國航天員首次在軌進入科學實驗艙。

神舟十四號太空人進入問天實驗艙。

後續，將按計劃開展組合體姿態融合控制、小機械臂爬行和大小臂組合測試等在軌工作，並利用問天艙氣閘艙和小機械臂進行航天員出艙活動。

問天實驗艙是中國空間站第二個艙段，也是首個科學實驗艙。

問天實驗艙是中國空間站第二個艙段，也是首個科學實驗艙，由工作艙、氣閘艙和資源艙組成，主要用於支持航天員駐留、出艙活動和開展空間科學實驗，同時可作為天和核心艙的備份，對空間站進行管理。

問天實驗艙在海南文昌航天發射場發射升空。

24下午2時22分，問天實驗艙在海南文昌航天發射場發射升空，準確進入預定軌道，任務取得圓滿成功。

25日3時13分，「問天」終於牽手「天和」。中國空間站的首個實驗艙——問天實驗艙在發射升空約13小時後，與中國空間站天和核心艙完成半自主前向交會對接，並形成「一」字在軌運行構型。

兩個20噸級航天器首次在軌實現交會對接。

這是我國兩個20噸級航天器首次在軌實現交會對接，也是空間站有航天員在軌駐留期間首次進行空間交會對接。

在這場「重量級」的交會對接任務中，問天實驗艙、天和核心艙以約每秒7.9公里的狀態高速運動，這就要求必須精準地控制它們的位置、速度、姿態才能保證可靠的對接，稍有偏差航天器就會發生碰撞。

即便是微小抖動，都會增加加大交會對接的難度。

航天科技集團五院問天實驗艙GNC分系統副主任設計師宋曉光在接受內地媒體採訪時介紹，此次對接任務有其獨特的難點，首先就在於對接時作為追蹤器的問天實驗艙，其尺寸和質量之大均創造了我國現有航天器之最。在交會對接任務時尤其要注意避讓太陽翼以及機械臂等大型部件。確保發動機在工作時產生的射流不能噴到這些大型的部件之上。而其採用的柔性太陽翼具有容易振動的特點，而即便是微小抖動，都會對航天器的控制精度和穩定性產生不利影響，從而加大交會對接的難度。

為此，問天實驗艙的研發團隊在設計環節就合理的佈置發動機的位置，避免發動機產生真空羽流干擾。此外還在全世界首創了「二次展開」的關鍵技術，即在發射後先將太陽翼展開約五分之一的長度，待對接完成後再完全展開到位，從而提高交會對接的可控性。

問天實驗艙上配備的這對雙自由度柔性太陽翼也刷新了我國航天器在軌使用太陽翼的長度紀錄。這種柔性太陽翼單個翼面展開面積約110平方米，差不多相當於一套三室一廳房子的面積。而一對太陽翼全部展開後翼展超過55米，比半個足球場還要長。

此前，我國的航天器多使用的簡單易控的半剛性太陽翼，為何在建造空間站的過程中要採用這種更難操控的柔性太陽翼？

航天科技集團五院問天實驗艙電總體主任設計師梁曉鋒介紹，問天實驗艙作為實驗平台，其需要為實驗載荷提供充足的電能，有更多的電才能開展更多在軌的實驗，更大的太陽翼則能滿足這一需求。在火箭整流罩尺寸，以及艙體各方面設計等約束條件下，與半剛性太陽翼收攏尺寸相當的柔性太陽翼，展開後就能獲取更大的面積，從而產生更多的電能。

問天實驗艙上兩個碩大的柔性太陽翼一起工作，每天平均發電量超過430度，在地面上，這個日發電量足夠一個北京市的普通家庭用上一個半月。

中國空間站還採用了一些特殊的設計，確保對接時空間站以及航天員的安全。

此次對接任務也是中國空間站首次在有航天員的狀態下迎接航天器來訪，為確保對接時空間站以及航天員的安全，中國空間站還採用了一些特殊的設計來提高對接的安全性。

宋曉光介紹，中國空間站上採用了一項名為「安全橢球」的設計。這種設計以空間站為中心設置一個橢圓範圍，作為追蹤器的問天實驗艙只能通過一條「對接走廊」接近空間站核心艙，實驗艙一旦偏離這條對接路徑，靠近橢圓範圍，就會主動的往後撤，和核心艙保持一個安全的距離，在確保沒有風險之後再次進行對接，「這也是對接時確保安全的底線設計。」

作為中國空間站的首個實驗艙，在試驗載荷功能上，問天實驗艙裝載了生命生態實驗櫃、生物技術實驗櫃、科學手套箱與低溫存儲櫃、變重力科學實驗櫃等8個實驗機櫃以及22個艙外載荷適配器，就像是把一個大型科學實驗室搬到了太空。

中科院空間應用中心研究員，載人航天工程空間應用系統副總師呂從民介紹稱，空間應用系統問天實驗艙任務將以生命科學和生物技術研究為主。在空間生命科學與生物技術、微重力流體物理、空間材料科學、空間應用新技術試驗等四個領域規劃部署了十餘個研究主題，目前已立項四十餘項科學項目，空間站建成後將持續論證、滾動實施相關科學項目。

「問天」同時兼具實驗平台功能和生活功能，擁有獨立的生命保障，供電，以及實驗等系統，其整體功能甚至相當於一個獨立的「小型空間站」。功能如此強大的「問天」其所集聚的技術，是否也為未來中國空間站加裝新的艙段，進一步拓展規模和功能提供可能性呢？

梁曉鋒表示，問天實驗艙作為我國目前體積以及噸位最大的主動飛行器，其功能可謂是一應俱全。問天實驗艙與天和核心艙互為備份，關鍵平台功能一致，可以完全覆蓋空間站組合體工作要求。在對接完成以後，問天實驗艙將具備空間站組合體統一管理和控制能力，同時還將具備與核心艙進行交會對接、轉位和停泊的能力，從技術角度講這確實是為後續空間站擴展艙段做了很多技術鋪墊，「可以說我們為空間站擴展艙段做了一些關鍵技術的儲備，但後續是否會加艙，這需要遵循空間站的統一規劃。」

毛拍手

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由中國運載火箭技術研究院（航天科技集團一院）研發的長征五號B（「胖五」）運載火箭今日下午騰空而起，成功將問天實驗艙送入預定軌道，是中國迄今為止發射的最重載荷，也象徵著中國太空站建設的關鍵性勝利。

長征五號B運載火箭今日下午騰空而起。

問天實驗艙是全世界現役在軌最重的單艙主動飛行器。由工作艙、氣閘艙及資源艙三部分組成，總長17.9米，直徑4.2米，發射重量達23噸，無論是面積和重量，都和北京地鐵13號線列車的一節車廂相近。

問天實驗艙有着強大的功能，集試驗載荷和平台功能於一體。實驗艙裝載8個實驗機櫃、22個艙外載荷適配器，相當於把一個大型科學實驗室搬到了太空。與此同時，艙內設有3個睡眠區和1個衛生區，成功組合後，中國空間站「床位」數目將增至6個，為神舟十四號、神舟十五號兩個乘組、共6名航天員實現「太空會師」，創造條件。

問天實驗艙總長17.9米，直徑4.2米，發射重量達23噸。

中國空間站共有11次發射任務，而且環環相扣，意義重大，任何一次都不容有失。長五B火箭作為中國空間站艙段「專列」，包攬了3個艙段的發射任務，共有意義重、載量重、任務重的三重意義：

一、為火箭發射設雙重保險，意義重大

由於今次首次執行交會對接任務，「零窗口」發射至關重要。「零窗口」，是指要求火箭點火起飛的時間與預計時間偏差不能超過1秒。儘管長五B火箭已具備「零窗口」發射能力，但試驗隊員仍為發射任務加上「雙保險」，用起飛時間修正技術將發射窗口擴寬至2分30秒，以確保萬無一失。

航天科技集團一院長五B火箭控制系統主任設計師蘇磊介紹指，這項技術能自動計算偏差、調整目標軌道，即使火箭未能按照預定窗口發射，在2.5分鐘這個窗口時間內發射，都能通過後期的軌道修正精準完成入軌對接。

長五B火箭總體副主任設計師劉秉則稱，長五系列火箭系統複雜，發射流程種類繁多，團隊將此前7次的發射經驗總結，對射前10分鐘的發射流程進行優化，部分流程前置，距離點火2.5分鐘就完成了發射前各項準備工作。他形容，工作做在前，如果有問題能早發現、早解決。

二、長征火箭家族的「大力士」

長五B火箭不單止將我國火箭近地軌道的運載能力由8噸提升至25噸，而且特設「大推力直接入軌精度控制技術」和20.5米超大整流罩，能把空間站的艙段安全送抵預定軌道。

火箭結構總體設計師王乾表示，針對此次任務，在整流罩生產初期，研制團隊採用了三維視覺掃描等技術，對整流罩以及問天實驗艙的尺寸進行了精準仿真，反覆詳細校核，確認了關鍵位置的安全間隙，確保在飛行、分離的過程中，實驗艙享有足夠的空間，不會在飛行過程中貼近整流罩。

另外，火箭姿控系統和制導系統設計團隊創新性地採用「姿態控制增益優化」和「複合制導」兩種方法，以確保火箭高精度入軌。

三、試驗人員任務繁重，動力和壓力並存

雖然長五B火箭發射成功，試驗隊員能暫時卸下重擔，盡情歡呼，但這份喜悅維持約兩小時，隊員就要馬上投入到地面設備恢復和中修工作中，例如設備檢測、技術狀態變化、產品返修、元器件更換、軟件更新、狀態恢復、系統調試匹配等。

長五B火箭副總設計師賀建華感嘆地稱，「看著大部分同事在完成任務後就可以收拾行李準備回家，說不羨慕是假的，大家都想趕緊回家和親人團聚，但負責地面設備的試驗隊員還有射後恢復任務在身，不能跟大部隊一起回京，恢復時的忙碌和辛苦是為了下一次成功發射打好基礎。」

面對繁鎖複雜的任務，團隊成員累計出差時間達到8個月，忙忙碌碌直到2022年春節。為適應長五B遙三、遙四零窗口發射的需求，發射支持系統團隊還針對進入發射流程的幾百套設備的動作，從風險風險辨識，細致分析和驗證，使產品可靠性進一步提升，為長五B遙三、遙四以及以後的發射任務成功打下了堅實基礎。