“問天”成功對接“天和”|一文詳解“太空中的實驗室”建設(shè)

01
太空中的生物實驗室
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“問天”實驗艙在軌道“展翅”飛行(藝術(shù)圖)。
問天實驗艙由工作艙、氣閘艙和資源艙三艙組成,是當(dāng)今世界長度最長,直徑最大的單體載人航天器。整體軸向總長17.9米,最大直徑4.2米。問天實驗艙與天和核心艙一樣也設(shè)置了3個睡眠區(qū)、1個衛(wèi)生區(qū)和廚房等設(shè)施。
擴容后的空間站能夠支持6名航天員同時在軌工作和生活。當(dāng)然,作為實驗艙,問天實驗艙的作用主要是作為“太空實驗室”使用,內(nèi)部安裝有25臺實驗柜,可進行多種學(xué)科的實驗。
據(jù)介紹,問天實驗艙主要面向空間生命科學(xué)研究。實驗艙配置有生命生態(tài)、生物技術(shù)和變重力科學(xué)等實驗柜,能夠支持開展多種類植物、動物、微生物等在空間條件下的生長、發(fā)育、遺傳、衰老等響應(yīng)機理研究,還能提供0.01g~2g的變重力模擬,支持開展不同重力條件下生物體生長機理的對比研究。
02
問天實驗艙基本參數(shù)一覽
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長度:17.9米 最大直徑:4.2米 質(zhì)量:23噸 生活空間:50立方米 配置:3個睡眠區(qū)、1個全功能區(qū) 艙內(nèi)溫度:24攝氏度 艙內(nèi)濕度:40% 實驗柜數(shù)量:8個
03
身手不凡:靈活輕巧的“大小機械臂”
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在此前的航天任務(wù)中,天和核心艙上安裝的大機械臂可謂“明星”般的存在,其肩部設(shè)置了三個關(guān)節(jié)、肘部設(shè)置了一個關(guān)節(jié)、腕部設(shè)置了三個關(guān)節(jié),一共七個關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)對應(yīng)一個自由度,就如同人的手臂一般,具有七自由度的活動能力。大機械臂能夠在空間站表面攀爬,并實現(xiàn)艙外狀態(tài)監(jiān)視。

轉(zhuǎn)位機械臂控制問天號實驗艙轉(zhuǎn)位對接(藝術(shù)圖)。
在此前的一次新聞發(fā)布會上,專家表示,問天實驗艙安裝有小機械臂。小機械臂主要有以下幾個特點:
更加精巧,小機械臂的重量和長度均約為大臂的一半,負載能力約為大臂的1/8,相應(yīng)的目標(biāo)適配器也更加輕巧,小臂的運動和操控靈活。
更加精準(zhǔn),小臂的末端定位精度更高,位置精度優(yōu)于大臂的五倍,姿態(tài)精度優(yōu)于大臂的兩倍,能夠完成精度要求更高的精細操作。
可與大臂級聯(lián)工作,也就是小機械臂可被大機械臂抓取形成組合機械臂,艙外作業(yè)覆蓋范圍更廣,通過大范圍轉(zhuǎn)移滿足去往不同位置進行精細作業(yè)的需求,可以實現(xiàn)天宮空間站外表面的全觸達。
04
百變中國空間站:“一”、“L”、“T”
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首先,問天實驗艙對接在天和核心艙的前向?qū)涌冢臻g站整體呈現(xiàn)“一”字構(gòu)型。
未來,在夢天實驗艙發(fā)射前1個月,問天實驗艙由前向?qū)涌谵D(zhuǎn)位到側(cè)向?qū)涌?,那時空間站整體呈現(xiàn)“L”形構(gòu)型。夢天實驗艙對接天和核心艙前向?qū)涌诤?,后續(xù)再轉(zhuǎn)到另一個側(cè)向?qū)涌冢菚r空間站整體又呈現(xiàn)“T”形構(gòu)型。

中國空間站“三艙”組合體T字構(gòu)型(藝術(shù)圖)。
05
問天實驗艙和夢天實驗艙有什么區(qū)別?
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我們知道,中國空間站建設(shè),后續(xù)還會發(fā)射夢天實驗艙。問天和夢天都是實驗艙,二者有什么分工上的區(qū)別?根據(jù)上面我們對問天實驗艙的簡介,問天實驗艙可看作“生物實驗室”,執(zhí)行生命科學(xué)實驗。
夢天實驗艙主要做物理和材料科學(xué)實驗,可看作“物理實驗室”,支持開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎(chǔ)燃燒過程等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究。同時,將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組,構(gòu)成在太空中頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度最高的時間頻率系統(tǒng),開展引力紅移、精細結(jié)構(gòu)常數(shù)測量等前沿的科學(xué)研究。
06
長征五號火箭兩兄弟:長五和長五B
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長征五號B運載火箭是在長征五號火箭的基礎(chǔ)上,進行改變研制的運載火箭,為我國載人空間站的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。長征五號B全箭高度53.7米,起飛重量837噸,近地軌道運載能力25噸。

長征五號和長征五號B比較,可見長五B少了二級火箭(示意圖)。
這次發(fā)射的長征五號B省去了芯二級,因此高度比長征五號要矮,顯得更加胖了。長征五號B的發(fā)射任務(wù)主要是在近地軌道,因此不需要二級火箭,只用一級火箭和四個助推器就能完成任務(wù)。
長征五號B的每個助推器上都有兩臺火箭發(fā)動機,芯級火箭也是兩臺發(fā)動機,從底部看,共10臺發(fā)動機。
長征五號B和長征五號一樣,都是采用無毒無污染的液氧、液氫和煤油作為推進劑。具體來說,芯一級采用的是液氧和液氫作為推進劑,四個助推器均采用液氧和煤油作為推進劑。
我們知道,液氧的沸點是零下183攝氏度,而液氫的沸點更是驚人的零下253攝氏度,僅高于絕對零度20度(絕對溫度為零下273攝氏度),是名副其實的“冰箭”。
處于低溫狀態(tài)的液氫和液氧像是難以馴服的怪獸,大型低溫火箭的研發(fā)難度是非常高的。當(dāng)然,氫氧火箭的優(yōu)點也是非常明顯的,那就是比沖非常高,能夠用更少的火箭燃料把更多的載荷送入太空,無論燃料本身,還是燃燒生成的水蒸氣,都是完全綠色無污染的。

發(fā)射前夕,長征五號B轉(zhuǎn)運情景。
7月23日,文昌發(fā)射場已經(jīng)給長征五號B進行了煤油的加注,這是因為煤油是常溫燃料,可以提前加注。鑒于液氫和液氧的低溫性質(zhì),7月24日上午,發(fā)射前夕才開始加注液氧和液氫。我們能看到陣陣白霧從箭體上冒出,那其實是空氣中的水蒸氣遇到低溫產(chǎn)生的水霧,就像雪糕表面冒出的白霧道理類似。
07
長征五號和長征五號B各司其職
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長征五號主要是用于發(fā)射大質(zhì)量的深空探測器,能夠把14噸的載荷送到地球同步轉(zhuǎn)移軌道。此前,執(zhí)行過我國的“嫦娥五號”月球探測器和“天問一號”火星探測器的發(fā)射任務(wù)。長征五號B則是運送大質(zhì)量航天器到地球近地軌道,近地軌道的運載能力達25噸,2021年執(zhí)行過天和核心艙的發(fā)射任務(wù)。

長征五號用于執(zhí)行深空探測任務(wù)。這是準(zhǔn)備發(fā)射嫦娥五號時的情景,可見整流罩上標(biāo)有中國探月logo。
08
“問天”和“天問”分不清?
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關(guān)心太空的朋友都知道,我國在2020年7月23日發(fā)射了“天問一號”火星探測器,“天問一號”探測器由軌道器和火星車組成,目前工作狀態(tài)良好,時不時發(fā)回關(guān)于火星的重大發(fā)現(xiàn)。7月23日,“天問一號”軌道器還傳回了拍攝的“火衛(wèi)一”(火星衛(wèi)星)的高清照片。

天問一號傳回的“火衛(wèi)一”的高清照片。
“天問”是我國系列深空項目的總稱,除了“天問一號”,后續(xù)還有“天問二號”、“天問三號”和“天問四號“。
因此,我們要記住“問天”是中國空間站實驗艙的名稱,“天問”是我國深空探測項目總稱。
09
中國空間站建設(shè)還有三次重大發(fā)射
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問天發(fā)射后,中國空間站建設(shè)已經(jīng)進行了8次重大發(fā)射。今年年底,中國空間站基本建成還有3次發(fā)射,它們分別是:夢天實驗艙發(fā)射、天舟五號發(fā)射和神舟十五號發(fā)射。其中夢天實驗艙和天舟五號還是在海南文昌發(fā)射場發(fā)射,神舟十五號在酒泉文星發(fā)射中心發(fā)射。有興趣的朋友,安排好時間,不要錯過觀看現(xiàn)場發(fā)射的機會。
制版|小圭月

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