7月24日14時22分22秒，空間站問天實驗艙在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，這是我國空間站建造階段三個艙段中的第二個艙段，也是中國空間站的首個實驗艙。

(資料圖)

中國空間站“問天實驗艙”是當(dāng)今世界現(xiàn)役最大單體載人航天艙段，其發(fā)射質(zhì)量23噸，軸向總長17.9米，艙體最大直徑4.2米，較之“天和”重量和長度都創(chuàng)造了單體載人航天器的“歷史記錄”。問天艙分為工作艙、氣閘艙、資源艙三部分，不僅配置了與“天和”一樣的航天員在軌生活的居住區(qū)和生活區(qū)，充分滿足航天員的“吃穿住行”；同時作為空間站內(nèi)的實驗艙，它的主要作用還是作為“太空實驗室”，工作艙中配置了大量的科學(xué)研究機柜，可以實現(xiàn)單學(xué)科或多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實驗，整體達到國際先進水平。而一直備受大家期待的“太空授課”也將以全新的面貌在“問天實驗艙”開展。

此次“問天”任務(wù)，510所再次聚力出發(fā)，研制的載荷適配器、艙外投光照明子系統(tǒng)、音頻單元、照明設(shè)備等一系列火爆“單品”，將乘坐“問天”到達宇宙深處，發(fā)揮探索浩瀚星空的重要作用，進一步彰顯510所齊心協(xié)力、拼搏創(chuàng)新的科研力量。

太空實驗室的艙外“多孔端口”——載荷適配器

“問天實驗艙”作為現(xiàn)在我國最先進的太空實驗艙，除了可以進行空間生命科學(xué)的研究外，同時還具備材料艙外暴露裝置，為未來部分科學(xué)實驗提供零壓力和真空環(huán)境。我國空間站建成后將開展大量艙外暴露科學(xué)試驗，是我國空間站達到國際先進水平的重要標(biāo)志。而“載荷適配器”作為空間站中小型艙外載荷的通用接口設(shè)備，為中小型標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷提供通用化的“多孔端口”，包括機械、供電、信息和熱接口等，是“太空實驗室”運營后艙外暴露科學(xué)實驗的基礎(chǔ)，其艙外實驗載荷的在軌無人安裝、長期在軌支持、多輪次更換，都離不開510所研制的“載荷適配器”的幫助。

“載荷適配器”的本質(zhì)是一種輕小型對接機構(gòu)，由主動端和被動端組成，安裝在空間站實驗艙I外暴露平臺的22臺陣列化布置的“端口插座”由載荷適配器的被動端實現(xiàn)，后續(xù)隨“天舟”貨船分批次多輪上行的各式標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷攜帶“端口插頭”由載荷適配器的主動端擔(dān)當(dāng)，并利用機械臂操作實現(xiàn)安裝和更替。另外根據(jù)是否具備為艙外載荷提供導(dǎo)熱通道，載荷適配器又分為I型(無導(dǎo)熱能力)和II型(有導(dǎo)熱能力)兩種，II型在具備I型輕小型對接機構(gòu)功能的基礎(chǔ)上還配置了控溫液路及冷板，實現(xiàn)對載荷的主動熱控。

此次“問天”實驗艙相較于“天和”配備了一個精巧的小型機械臂，可以單獨發(fā)揮作用，也可與“天和”的大型機械臂配合完成航天員的出艙、艙外設(shè)施照料、巡檢等任務(wù)。針對支持機械臂在軌操作的需求，510所通過技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計的載荷適配器被動端“分步被動引導(dǎo)組件”可實現(xiàn)對主動端的引導(dǎo)，實現(xiàn)校正機械臂操作偏差的功能，引導(dǎo)過程也可通過主動端同步捕獲、主動校正、自潤滑楔緊鎖和浮動連接器來實現(xiàn)鎖緊和資源連通被動端的功能，從而實現(xiàn)載荷適配器的“輕小型對接機構(gòu)“功能。510所”載荷適配器“的研制過程共攻克同步捕獲、主動位姿校正、剛性鎖緊等14項關(guān)鍵技術(shù)，在四次大系統(tǒng)機械臂載荷操作試驗中接口匹配良好：控制模式適用、容差配合合理、信息交互、操作力適配等方面都有優(yōu)異表現(xiàn)，能夠可靠校正機械臂位姿偏差，鎖緊連通后的供電、通訊、傳熱性能優(yōu)良，整體性能已經(jīng)達到了國際先進水平，是“太空實驗室”里不可或缺的重要部分。

太空實驗室的艙外“照明燈”——艙外投光照明子系統(tǒng)

當(dāng)前，神舟十四號乘組的3名航天員正在中國空間戰(zhàn)執(zhí)行任務(wù)，“問天”的到來也意味著中國空間站首次在有航天員的狀態(tài)下迎接航天器的來訪，這又將是一個“見證歷史”的重要時刻。

后續(xù)航天員還將首次從問天實驗艙氣閘艙出艙，艙外活動的開展離不開“照明燈”，而510所研制的艙外投光照明子系統(tǒng)將會發(fā)揮重要作用。艙外投光照明子系統(tǒng)屬于復(fù)雜的艙外機、電、光一體化設(shè)備，由投光燈單元、云臺機構(gòu)、無源展開機構(gòu)及控制器組成，依靠多自由度云臺的方位角度、俯仰角度動態(tài)特性提供空間站艙外的動態(tài)照明、伴隨照明，用于支持航天員出艙活動和監(jiān)視攝像。該設(shè)備在“問天”發(fā)射時為機構(gòu)折疊壓緊狀態(tài),在軌之后將轉(zhuǎn)換為機構(gòu)展開到位并鎖定狀態(tài)。該設(shè)備云臺的轉(zhuǎn)動范圍大，能實現(xiàn)“太空實驗室”艙外不同照度需求下的亮度調(diào)整，并具備在軌維修功能。

為適應(yīng)艙外環(huán)境，如紫外輻照、總劑量輻照、原子氧輻照等，510所“艙外投光照明子系統(tǒng)”的研制團隊分別從材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計等幾個方面開展攻關(guān)，在經(jīng)歷了一次次的失敗，一次次的重來之后，成功攻克了四大關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計出了能夠抵御空間輻照的燈體結(jié)構(gòu)以及光學(xué)照明系統(tǒng)，順利通過了特殊空間環(huán)境地面試驗，保證了在軌長時間高效率工作。其可在軌維修更換功能也是經(jīng)歷了多輪迭代優(yōu)化設(shè)計，才得以實現(xiàn)的。510所的“艙外投光照明子系統(tǒng)”在“太空實驗室”建成后將不僅為航天員長期在軌駐留及開展艙外維修、科研活動提供良好的照明，也為出艙活動任務(wù)提供了美輪美奐的光影效果，我們看到的每一張“太空大片”都是通過它的默默打光得以呈現(xiàn)的。

航天員的艙內(nèi)“太空家居”語音設(shè)備——音頻單元

中國空間站既是我們國家的“太空實驗室”也是航天員在浩瀚宇宙中溫暖的“家”。因此“問天”配置了一系列的“太空家居”設(shè)備，為航天員的工作和生活提供智能、便捷的服務(wù)。音頻單元作為終端音頻儀表設(shè)備，是510所為空間站新研的音頻設(shè)備。音頻單元可以支持多類型、多通道音頻終端的輸入輸出，可以接收整個空間站的報警信息實現(xiàn)對航天員的語音報警提示，還能實現(xiàn)航天員與地面的天地電話，實現(xiàn)多艙狀態(tài)下各艙段航天員之間及地面測控中心的會議通話功能，為航天員在軌通話提供了多種模式。

音頻單元作為空間站中唯一的外放式音頻設(shè)備，在研制過程中面臨著較多的聲學(xué)設(shè)計難題。為適應(yīng)空間站任務(wù)的變化，空間站音頻單元軟件還可以進行在軌升級。510所“音頻單元”軟件研制團隊在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了軟件三級加載方案，該方案可以應(yīng)對復(fù)雜的空間硬件環(huán)境和通訊環(huán)境，確保在最惡劣的情況下，軟件不會“死機”。在空間站天地通訊網(wǎng)數(shù)據(jù)注入實驗過程中，研制團隊經(jīng)過48小時不間斷測試，掌握了復(fù)雜天地數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)上傳帶寬和時延容限等技術(shù)細(xì)節(jié)，制定了窄帶寬、長時延、高誤碼率情況下的軟件在軌注入策略?？臻g站音頻單元還具有免提通話功能，為了保證語音播報質(zhì)量及通話效果，研制組自主開發(fā)了回聲抑制算法、自激抑制功能，并優(yōu)化了聲腔結(jié)構(gòu)，克服了設(shè)備空間有限、揚聲器與麥克風(fēng)物理距離過近、可選材質(zhì)限制等難題，解決了聲學(xué)設(shè)備容易出現(xiàn)的回聲抑制、自激嘯叫等問題。在語音可懂度實驗過程中，通過對整艙噪聲環(huán)境分析，增加麥克風(fēng)的信噪比，從而提高語音的可懂度。之后航天員在“問天”這個新教室中開展“天地通話”和全新“太空授課”，音頻單元也會給航天員帶去全新的授課“音頻”體驗。

航天員的艙內(nèi)“太空家居”照明體驗——照明設(shè)備

空間站是長期在軌駐留的載人飛行器，航天員在艙內(nèi)工作、生活及出艙活動都離不開照明設(shè)備。510所承擔(dān)了“問天實驗艙”大部分照明產(chǎn)品研制工作，配套照明類產(chǎn)品共計7種，36余臺/套。其中全新設(shè)計的照明產(chǎn)品主要包括情景照明產(chǎn)品、便攜照明產(chǎn)品和艙外泛光照明產(chǎn)品。

艙內(nèi)情景照明產(chǎn)品包括通道照明、生活照明、閱讀照明、維修用頭燈、照明控制器等5類20余臺產(chǎn)品。這是我國首次在空間飛行器上應(yīng)用情景模式可調(diào)照明技術(shù)，也是全球首次在大型載人航天器內(nèi)部全范圍應(yīng)用情景照明技術(shù)。由于航天員長期在軌生活，以前載人飛船單一的照明模式會造成航天員工作效率降低，生物鐘紊亂以及睡眠障礙等問題，情景照明產(chǎn)品通過對色溫、亮度、照明區(qū)域的可控調(diào)節(jié)，可解決上述問題。照明模式可精確到工作模式、就餐模式、娛樂模式、睡眠模式等；照明區(qū)域也可細(xì)分為工作區(qū)、生活區(qū)、閱讀區(qū)、維修區(qū)等；操作方式包括手持移動設(shè)備WiFi無線控制、照明開關(guān)板有線控制等，這些設(shè)計都極大的提升了航天員在軌工作、生活的便利性和舒適性。

空間站便攜照明設(shè)備主要用于艙外精準(zhǔn)維修照明和艙內(nèi)母線掉電時航天員轉(zhuǎn)艙或逃逸的應(yīng)急照明，目前在國外空間領(lǐng)域并無同類產(chǎn)品。便攜照明設(shè)備滿足了在艙內(nèi)、艙外工況下連續(xù)工作6小時的苛刻需求，也是國內(nèi)首次將鋰電池應(yīng)用于艙外便攜式產(chǎn)品設(shè)計中。針對鋰電池短路可能導(dǎo)致的起火、爆炸問題，510所研制的“便攜照明設(shè)備”采取了多項技術(shù)，確保了鋰電池空間應(yīng)用的可靠性。

艙外泛光照明提供航天員出艙時行走路徑上的輔助泛光照明以及艙外攝像照明。是我國首次在軌應(yīng)用的艙外空間環(huán)境長壽命照明產(chǎn)品。它的研制攻克解決了空間電離總劑量輻照環(huán)境、紫外輻照環(huán)境、原子氧腐蝕環(huán)境長時間耐受的技術(shù)難題，讓航天員在地球的陰影區(qū)也能正常進行艙外活動。除此之外，問天艙照明產(chǎn)品還有報警燈、專用照明燈、專用照明控制板等特殊場景燈具，它們共同構(gòu)建了一個明亮、舒適的中國空間站光環(huán)境。

在空間站“問天”發(fā)射任務(wù)中，510所繼續(xù)發(fā)揮自身技術(shù)優(yōu)勢，集全所科研力量再次出擊，用科技創(chuàng)新精神引領(lǐng)科研工作，以腳踏實地團結(jié)協(xié)作的品格，為我國航天事業(yè)的空間站建設(shè)貢獻了屬于510所的磅礴力量。

來源：蘭州空間技術(shù)物理研究所