□本報(bào)記者 陳麗平 廉穎婷

7月25日10時(shí)03分，神舟十四號(hào)航天員乘組順利進(jìn)入空間站問天實(shí)驗(yàn)艙。這是中國航天員首次在軌進(jìn)入科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙。

7月24日14時(shí)22分，搭載問天實(shí)驗(yàn)艙的長征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭（以下簡(jiǎn)稱長五B運(yùn)載火箭），在我國文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射。

圖為問天實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射。屠海超 攝

由中國航天科技集團(tuán)有限公司五院研制的問天實(shí)驗(yàn)艙，是中國空間站第二個(gè)艙段，也是首個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙，由工作艙、氣閘艙和資源艙組成，起飛重量約23噸，主要用于支持航天員駐留、出艙活動(dòng)和開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

更大更強(qiáng)更足更優(yōu)更細(xì)

問天實(shí)驗(yàn)艙，稱得上更大、更強(qiáng)、更足、更優(yōu)、更細(xì)。

體重更大。問天實(shí)驗(yàn)艙艙體總長17.9米，直徑4.2米，發(fā)射重量達(dá)23噸。這塊頭和分量，跟北京地鐵13號(hào)線列車的一節(jié)車廂差不多，是全世界現(xiàn)役在軌最重的單艙主動(dòng)飛行器。

問天實(shí)驗(yàn)艙的工作艙是迄今我國最大、世界第二大單密封艙體。與天和核心艙完成對(duì)接后，中國空間站將更加溫馨舒適，而且“床位”數(shù)增加到6個(gè)。

系統(tǒng)功能更強(qiáng)。問天實(shí)驗(yàn)艙是一個(gè)集平臺(tái)功能與試驗(yàn)載荷功能于一體的“全能型”選手。

平臺(tái)功能方面，問天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙互為備份，關(guān)鍵平臺(tái)功能一致，可以完全覆蓋空間站組合體工作要求。也就是說，在天和核心艙“想休息”的時(shí)候，問天實(shí)驗(yàn)艙也能頂上，“帶你一起飛”。

圖為問天實(shí)驗(yàn)艙研制圖。（中國航天科技集團(tuán)五院提供）

問天實(shí)驗(yàn)艙不僅保障航天員在軌長期駐留，而且提供專用氣閘艙和應(yīng)急避難場(chǎng)所，保證航天員安全，讓中國空間站的在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)更加可控，在軌長壽命運(yùn)行更加可靠。

在試驗(yàn)載荷功能上，問天實(shí)驗(yàn)艙裝載了8個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜、22個(gè)艙外載荷適配器，就像是把一個(gè)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬到了太空。航天員在問天實(shí)驗(yàn)艙工作，出了“臥室”就能“上班”。

問天實(shí)驗(yàn)艙配備了一對(duì)雙自由度柔性太陽帆板，全部展開后的翼展超過55米，比半個(gè)足球場(chǎng)還要長。這也刷新了我國航天器在軌使用太陽帆板的紀(jì)錄。

問天實(shí)驗(yàn)艙的太陽帆板面積大柔性也大，帶著這么大的一對(duì)“軟翅膀”進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，控制難度之高堪稱空前。為了降低系統(tǒng)復(fù)雜性和在軌風(fēng)險(xiǎn)，問天實(shí)驗(yàn)艙也相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)了多個(gè)系統(tǒng)功能創(chuàng)新，如采取太陽帆板二次展開方案，發(fā)射后先展開約五分之一的長度，待對(duì)接完成后再展開到位。

能源保障更足。問天實(shí)驗(yàn)艙的能源管理系統(tǒng)十分強(qiáng)大，自帶高性能“發(fā)電機(jī)”與“配電器”。

問天實(shí)驗(yàn)艙的每個(gè)太陽帆板展開面積約110平方米，差不多相當(dāng)于一套三室一廳房子的面積。兩個(gè)碩大的太陽帆板一起工作，將有效收集更多的太陽能，每天平均發(fā)電量超過430度，為空間站運(yùn)行提供充足的能源。放在地面上，這個(gè)日發(fā)電量足夠一個(gè)北京市普通家庭用一個(gè)半月。

空間站在軌建造完成后，天和核心艙的一個(gè)太陽帆板將轉(zhuǎn)移到問天實(shí)驗(yàn)艙資源艙的尾部，天和核心艙將“專心致志”地進(jìn)行空間站管理工作，而問天實(shí)驗(yàn)艙將成為名副其實(shí)的“主發(fā)電站”。屆時(shí)，問天實(shí)驗(yàn)艙的3條能源母線將發(fā)揮更大的作用，為組合體源源不斷地供電送能。

圖為問天實(shí)驗(yàn)艙示意圖。（中國航天科技集團(tuán)五院提供）

出艙氣閘更優(yōu)。在問天實(shí)驗(yàn)艙中，氣閘艙的視覺效果十分獨(dú)特，外方內(nèi)圓，是空間站系統(tǒng)唯一一個(gè)看上去是方形的艙體。里面圓柱狀的，正是航天員開展出艙活動(dòng)時(shí)的更衣間——出艙氣閘。在這里，更衣間空間更大了，航天員做出艙準(zhǔn)備和艙外返回時(shí)，可以更舒展、更從容，未來將成為整個(gè)空間站系統(tǒng)的主要出艙通道。

出艙氣閘還有一個(gè)直徑達(dá)1米的大門。航天員從這里進(jìn)進(jìn)出出，不僅更加方便，而且還能攜帶大個(gè)頭的設(shè)備出艙工作。

出艙氣閘外面，是看上去像方形的外殼。這是艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，上面配置了22個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷接口，其中一部分還配備了流體回路溫度控制。未來10年，在空間站搭載的科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷，可以通過機(jī)械臂精準(zhǔn)“投送”到自己對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)載荷接口位置，“即插即用”，不再需要航天員出艙進(jìn)行人工操作了。

艙外操作更細(xì)。問天實(shí)驗(yàn)艙是空間站系統(tǒng)中艙外活動(dòng)部件最多的艙體，大量的艙外設(shè)施設(shè)備更好地保障了出艙活動(dòng)，也為更精細(xì)的艙外操作提供了支持。

圖為機(jī)械臂研制圖。（中國載人航天工程辦公室提供）

問天實(shí)驗(yàn)艙將在氣閘艙外攜帶一套5米長的“小臂”。這套7自由度的機(jī)械臂小巧、精度高，“小手”方便抓中小型設(shè)備，做更為精細(xì)的操作。小臂還可以與核心艙大臂級(jí)聯(lián)成15米長的組合臂，開展更多艙外操作。屆時(shí)，組合臂能夠在天和、問天、夢(mèng)天的空間站三艙組合體之間爬行，“機(jī)甲戰(zhàn)士”能控制的艙外范圍就更大了。

“四大力士”送問天精準(zhǔn)入軌

執(zhí)行本次發(fā)射任務(wù)的長五B運(yùn)載火箭，由中國航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱火箭院）研制，是我國目前近地軌道運(yùn)載能力最大的新一代運(yùn)載火箭，具備近地軌道25噸的運(yùn)載能力。作為我國空間站建造工程的“運(yùn)載專列”，長五B運(yùn)載火箭主要用于空間站艙段等近地軌道大型航天器發(fā)射任務(wù)，于2021年成功發(fā)射天和核心艙，后續(xù)還將承擔(dān)夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的發(fā)射任務(wù)。

身為長征火箭家族中的“大力士”，長五B運(yùn)載火箭將我國火箭近地軌道的運(yùn)載能力由8噸提升至25噸。它可不是只有蠻力，其特有的“大推力直接入軌精度控制技術(shù)”，可以讓空間站的艙段安全到達(dá)預(yù)定軌道。

“就好比一輛正在高速行駛的汽車，想踩一腳剎車就停到指定位置很難?！遍L五B運(yùn)載火箭試驗(yàn)隊(duì)員這樣形容大推力火箭精準(zhǔn)入軌的難度。為此，火箭姿控系統(tǒng)和制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用了“姿態(tài)控制增益優(yōu)化”和“復(fù)合制導(dǎo)”兩種方法，保證了長五B運(yùn)載火箭入軌精度，連續(xù)3次發(fā)射任務(wù)的高精度入軌都驗(yàn)證了這個(gè)方法的可靠性。

圖為搭載問天實(shí)驗(yàn)艙的長五B遙三運(yùn)載火箭。屠海超 攝

這次發(fā)射的問天實(shí)驗(yàn)艙，是我國迄今為止重量最大、包絡(luò)尺寸最大的一個(gè)載荷。不過，這難不倒長五B運(yùn)載火箭，除了超大推力外，研制團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)之初就考慮到空間站建造的任務(wù)需求，直徑5.2米、長度20.5米的整流罩足以讓實(shí)驗(yàn)艙在里面舒舒服服的。

據(jù)火箭結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)師王乾介紹：“針對(duì)此次任務(wù)，在整流罩生產(chǎn)初期，研制團(tuán)隊(duì)采用了三維視覺掃描等技術(shù)，對(duì)整流罩以及問天實(shí)驗(yàn)艙的尺寸進(jìn)行了精準(zhǔn)仿真，反復(fù)詳細(xì)校核，確認(rèn)了關(guān)鍵位置的安全間隙，確保在飛行、分離的過程中，實(shí)驗(yàn)艙享有足夠的空間，不會(huì)在飛行過程中貼近整流罩。”

在此次任務(wù)中，長五B運(yùn)載火箭憑借它強(qiáng)大推力、精準(zhǔn)入軌的優(yōu)異表現(xiàn)，成功將重達(dá)23噸的問天實(shí)驗(yàn)艙順利送入預(yù)定軌道。成功托舉的背后，合抱在芯級(jí)上的“四大力士”——4個(gè)3.35米直徑助推器功不可沒。

據(jù)長五B運(yùn)載火箭副總指揮鮑國苗介紹，中國航天科技集團(tuán)八院研制的4個(gè)助推器，為長五B運(yùn)載火箭提供了90%以上的起飛推力。每個(gè)助推器五臟俱全，相當(dāng)于一枚單級(jí)運(yùn)載火箭。

將以生命科學(xué)為主開展實(shí)驗(yàn)

據(jù)載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師呂從民介紹，空間應(yīng)用系統(tǒng)問天實(shí)驗(yàn)艙任務(wù)以生命科學(xué)和生物技術(shù)研究為主，在空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)四個(gè)領(lǐng)域規(guī)劃部署了十余個(gè)研究主題。

為保證上述科學(xué)任務(wù)順利開展，不斷產(chǎn)出科學(xué)成果，空間應(yīng)用系統(tǒng)在問天實(shí)驗(yàn)艙部署了生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜、科學(xué)手套箱與低溫存儲(chǔ)柜、變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜等科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，配置了艙內(nèi)外應(yīng)用任務(wù)共用支持設(shè)備，聯(lián)合支持科學(xué)項(xiàng)目在軌全任務(wù)鏈實(shí)施。

圖為問天實(shí)驗(yàn)艙研制圖。（中國航天科技集團(tuán)五院提供）

生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜以多種類型的生物個(gè)體（如植物種子、幼苗）為實(shí)驗(yàn)樣品，開展擬南芥、線蟲、果蠅、斑馬魚等動(dòng)植物的空間生長實(shí)驗(yàn)，揭示微重力對(duì)生物個(gè)體生長、發(fā)育、代謝的影響，促進(jìn)人類對(duì)生命現(xiàn)象本質(zhì)的理解，研究空間輻射生物學(xué)和亞磁生物學(xué)效應(yīng)與機(jī)制，探索建立應(yīng)用型受控生命生態(tài)系統(tǒng)，為航天員在軌輻射損傷評(píng)估、防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜以組織、細(xì)胞和生化分子等不同層次多類別生物樣品為對(duì)象，開展細(xì)胞組織培養(yǎng)、空間蛋白質(zhì)結(jié)晶與分析、蛋白與核酸共起源和空間生物力學(xué)等實(shí)驗(yàn)，探索微重力環(huán)境下細(xì)胞生長和分化規(guī)律和機(jī)制，為人類健康、生殖發(fā)育提供理論基礎(chǔ)。

科學(xué)手套箱提供潔凈密閉空間和溫濕度環(huán)境控制，配置靈巧機(jī)械臂具備細(xì)胞級(jí)精細(xì)操作能力；手套箱為航天員操作多學(xué)科實(shí)驗(yàn)樣品提供安全、高效支持。

變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供0.01g至2g高精度模擬重力環(huán)境，采用先進(jìn)的無線傳能和載波通信技術(shù)，支持開展微重力、模擬月球重力、火星重力等不同重力水平下的復(fù)雜流體物理、顆粒物質(zhì)運(yùn)動(dòng)等科學(xué)研究。