問天實驗艙是怎樣建造的？揭祕太空“新居”背後的故事

　　7月24日14時22分，搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭，在我國文昌航天發射場準時點火發射，約495秒後，問天實驗艙與火箭成功分離並進入預定軌道。

　　25日3時13分，問天實驗艙與天和核心艙組合體在軌完成交會對接。這是空間站有航天員在軌駐留期間首次進行空間交會對接。

　　25日10時03分，神舟十四號航天員乘組成功開啓問天實驗艙艙門，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。

　　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。此次發射前後有哪些動人細節？中國太空家園的“新居”有哪些技術突破？

　　毫米“計較”，打造更大更強太空“新居”

　　“問天實驗艙是空間站家族裏的大塊頭，艙體總長17.9米，發射重量達23噸，是我國目前最重、尺寸最大的單體飛行器，功能強大、結構複雜、指標先進。”航天科技集團五院空間站系統總體主任設計師張昊介紹。

　　“更大、更強、更全、更優、更細”——爲使問天實驗艙達到這樣的目標，設計研製隊伍團結攻克了一系列工藝瓶頸，研發了多項關鍵技術，最終得以保證問天實驗艙高質量交付、成功發射。

問天實驗艙模擬圖（航天科技集團五院供圖）

　　問天實驗艙中的工作艙，是我國目前最大的載人密封航天器艙體，艙段長度近10米。爲了保證艙外安裝載荷的正常工作，艙外72個設備支架的接口精度要求非常高。但正是因爲“個子大”，艙體結構上的精密接口尺寸受溫度的影響也被放大，導致支架裝調過程中測量誤差大。

　　與此同時，當前大型艙體研製使用的廠房空間大，產品研製週期長，實現廠房長時間恆定溫度環境的難度很大。爲此，航天科技集團五院529廠載人航天領域總師趙長喜帶領團隊，巧妙提出了一種虛擬恆溫測量方法，依靠數學矩陣計算原理，使易受溫度影響的測量環節可靠穩定，最終實現了支架裝配的高精度，成功爲問天實驗艙這個大體格雕琢出一個精準的外形，保證了問天實驗艙艙外載荷的高可靠工作。

　　氣閘艙是問天實驗艙最重要的組成部分之一，是未來航天員的主要出艙通道。然而要在艙體的柱段上進行出艙艙門焊接，給研製人員出了難題。以往的型號艙門處大多爲規則的平面曲線焊縫，焊接厚度僅2毫米，而這個艙門焊接的位置在一個馬鞍形空間曲面上，焊接厚度還增加到5毫米，傳統的手工焊接已無法滿足要求。經過反覆研究測試和大量工藝試驗，航天科技集團五院的研製人員提出了空間曲線自動化焊接新技術，自主研發了可柔性變化的焊接工裝，順利完成了密封艙艙門門框的焊接，各項指標均滿足設計要求。

　　正是近乎苛刻的對完美的追求，纔打造出更優質的太空之家。

　　精確精準，護航空間站“萬無一失”

　　中國空間站由一個核心艙和兩個實驗艙組成，這3個艙段的發射任務都由長五B火箭執行。2021年4月29日，長五B火箭成功發射天和核心艙，打響了空間站建造的開局之戰。一年後，問天實驗艙發射，長五B研製團隊再次執“箭”出征。

　　航天科技集團一院長五B火箭副總設計師婁路亮說，此次長五B發射問天艙，是我國大型低溫火箭首次執行交會對接任務，“零窗口”發射對火箭的運載能力、入軌精度和發射可靠性都提出了更高要求。圍繞任務特點，研製團隊用一年時間完成了30多項全箭飛行可靠性提升工作。

　　婁路亮說，交會對接就好比在太空“穿針引線”，爲了更加精準、可靠地完成任務，長五B團隊在優化射前流程、拓展發射窗口和提升運載能力上尋求突破。

　　研製團隊首先將各系統環環相扣的工作流程由“串聯”調整爲“並聯”，爲火箭點火前預留2分30秒的故障處理時間。然後，“在滿足入軌精度的要求下，用“起飛時間修正技術”將發射窗口擴寬至2分30秒，即使火箭沒能完全按照預定窗口發射，也能在這個時間內通過後期的軌道修正精準完成入軌和交會對接。

　　團隊還將長五B火箭的運載能力提升至不低於23 噸。但大推力火箭精準入軌的難度也會變大，這就如同讓一輛正在高速行駛的汽車一腳剎車就停到指定位置。長五B火箭特有的“大推力直接入軌精度控制技術”和20.5米超大整流罩，讓空間站的艙段可以安全地到達預定軌道。

　　“就像眼睛不能進沙子，一個小小的多餘物就可能對火箭發射和對接造成災難性的後果。”航天科技集團一院長五B火箭總體副主任設計師劉秉說，爲了保證問天艙成功實現交會對接，長五B團隊通過技術溝通、分析論證，嚴控火箭多餘物，儘量減少對艙體對接造成的影響。

　　此外，這一年，長五B團隊還開展了該型火箭的未來規劃論證工作。團隊對前七次飛行過程數據進行系統梳理，將原來 60天的發射準備時間縮短至53天左右，爲後續應對高密度發射任務作準備。

　　見證問天實驗艙發射成功，長五B團隊暫時卸下了重擔。但正如他們所說：“每次發射成功後只能高興兩個小時。”夢天實驗艙發射即將到來，他們再一次扛起重任。

　　從“天問”到“問天”，對太空不懈追問不變

　　2020年7月23日，長征五號遙四火箭託舉天問一號火星探測器，邁出了探索浩瀚宇宙的重要一步，開啓了中國人的行星探測時代。

　　從“天問”到“問天”，兩次發射剛好相差兩年零一天。從探索行星到建設中國人自己的空間站，兩年間，航天人從未停下前行的腳步，行星探測工程、探月工程、載人航天工程接連圓夢太空，走出一條條“問天”之路。

　　從“天問”到“問天”，一個“問”字揭示了它們共同的內涵——探索和追問。問天實驗艙既是航天員的太空“新居”，也承載着空間科學研究的重要使命。

　　作爲“國家太空實驗室”的組成部分，問天實驗艙將主要進行生命科學和生物技術研究。目前，問天實驗艙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4個領域方向規劃部署了10餘個研究主題，已立項40餘項科學項目。

　　中科院空間應用中心研究員、集成技術中心副主任張璐介紹，我國在載人航天“三步走”的第二步時期，在天宮一號、天宮二號開展了多種類型的科學實驗，是以單一的實驗項目爲主，實驗樣品不具備更換能力和需求。如今，進入空間站階段，科研實驗將從單一分散轉爲大規模集團式，在太空建造一個真正的科學實驗室。艙內配置的科學實驗櫃就是開展多種科學實驗的通用基礎平臺。