“問天”成功對(duì)接“天和”｜一文詳解“太空中的實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)
01
太空中的生物實(shí)驗(yàn)室
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“問天”實(shí)驗(yàn)艙在軌道“展翅”飛行（藝術(shù)圖）。
問天實(shí)驗(yàn)艙由工作艙、氣閘艙和資源艙三艙組成，是當(dāng)今世界長(zhǎng)度最長(zhǎng)，直徑最大的單體載人航天器。整體軸向總長(zhǎng)17.9米，最大直徑4.2米。問天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙一樣也設(shè)置了3個(gè)睡眠區(qū)、1個(gè)衛(wèi)生區(qū)和廚房等設(shè)施。
擴(kuò)容后的空間站能夠支持6名航天員同時(shí)在軌工作和生活。當(dāng)然，作為實(shí)驗(yàn)艙，問天實(shí)驗(yàn)艙的作用主要是作為“太空實(shí)驗(yàn)室”使用，內(nèi)部安裝有25臺(tái)實(shí)驗(yàn)柜，可進(jìn)行多種學(xué)科的實(shí)驗(yàn)。
據(jù)介紹，問天實(shí)驗(yàn)艙主要面向空間生命科學(xué)研究。實(shí)驗(yàn)艙配置有生命生態(tài)、生物技術(shù)和變重力科學(xué)等實(shí)驗(yàn)柜，能夠支持開展多種類植物、動(dòng)物、微生物等在空間條件下的生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳、衰老等響應(yīng)機(jī)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(zhǎng)機(jī)理的對(duì)比研究。
02
問天實(shí)驗(yàn)艙基本參數(shù)一覽
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長(zhǎng)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(gè)睡眠區(qū)、1個(gè)全功能區(qū) 艙內(nèi)溫度：24攝氏度 艙內(nèi)濕度：40% 實(shí)驗(yàn)柜數(shù)量：8個(gè)
03
身手不凡：靈活輕巧的“大小機(jī)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(jī)械臂可謂“明星”般的存在，其肩部設(shè)置了三個(gè)關(guān)節(jié)、肘部設(shè)置了一個(gè)關(guān)節(jié)、腕部設(shè)置了三個(gè)關(guān)節(jié)，一共七個(gè)關(guān)節(jié)。每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)自由度，就如同人的手臂一般，具有七自由度的活動(dòng)能力。大機(jī)械臂能夠在空間站表面攀爬，并實(shí)現(xiàn)艙外狀態(tài)監(jiān)視。
轉(zhuǎn)位機(jī)械臂控制問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位對(duì)接（藝術(shù)圖）。
在此前的一次新聞發(fā)布會(huì)上，專家表示，問天實(shí)驗(yàn)艙安裝有小機(jī)械臂。小機(jī)械臂主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
更加精巧，小機(jī)械臂的重量和長(zhǎng)度均約為大臂的一半，負(fù)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(yùn)動(dòng)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(xì)操作。
可與大臂級(jí)聯(lián)工作，也就是小機(jī)械臂可被大機(jī)械臂抓取形成組合機(jī)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(jìn)行精細(xì)作業(yè)的需求，可以實(shí)現(xiàn)天宮空間站外表面的全觸達(dá)。
04
百變中國(guó)空間站：“一”、“L”、“T”
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首先，問天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)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(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射前1個(gè)月，問天實(shí)驗(yàn)艙由前向?qū)涌谵D(zhuǎn)位到側(cè)向?qū)涌?，那時(shí)空間站整體呈現(xiàn)“L”形構(gòu)型。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接天和核心艙前向?qū)涌诤?，后續(xù)再轉(zhuǎn)到另一個(gè)側(cè)向?qū)涌?，那時(shí)空間站整體又呈現(xiàn)“T”形構(gòu)型。
中國(guó)空間站“三艙”組合體T字構(gòu)型（藝術(shù)圖）。
05
問天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙有什么區(qū)別？
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我們知道，中國(guó)空間站建設(shè)，后續(xù)還會(huì)發(fā)射夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙。問天和夢(mèng)天都是實(shí)驗(yàn)艙，二者有什么分工上的區(qū)別？根據(jù)上面我們對(duì)問天實(shí)驗(yàn)艙的簡(jiǎn)介，問天實(shí)驗(yàn)艙可看作“生物實(shí)驗(yàn)室”，執(zhí)行生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙主要做物理和材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可看作“物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，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(shí)間頻率系統(tǒng)，開展引力紅移、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量等前沿的科學(xué)研究。
06
長(zhǎng)征五號(hào)火箭兩兄弟：長(zhǎng)五和長(zhǎng)五B
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長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭是在長(zhǎng)征五號(hào)火箭的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改變研制的運(yùn)載火箭，為我國(guó)載人空間站的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。長(zhǎng)征五號(hào)B全箭高度53.7米，起飛重量837噸，近地軌道運(yùn)載能力25噸。
長(zhǎng)征五號(hào)和長(zhǎng)征五號(hào)B比較，可見長(zhǎng)五B少了二級(jí)火箭（示意圖）。
這次發(fā)射的長(zhǎng)征五號(hào)B省去了芯二級(jí)，因此高度比長(zhǎng)征五號(hào)要矮，顯得更加胖了。長(zhǎng)征五號(hào)B的發(fā)射任務(wù)主要是在近地軌道，因此不需要二級(jí)火箭，只用一級(jí)火箭和四個(gè)助推器就能完成任務(wù)。
長(zhǎng)征五號(hào)B的每個(gè)助推器上都有兩臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，芯級(jí)火箭也是兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，從底部看，共10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。
長(zhǎng)征五號(hào)B和長(zhǎng)征五號(hào)一樣，都是采用無(wú)毒無(wú)污染的液氧、液氫和煤油作為推進(jìn)劑。具體來說，芯一級(jí)采用的是液氧和液氫作為推進(jìn)劑，四個(gè)助推器均采用液氧和煤油作為推進(jìn)劑。
我們知道，液氧的沸點(diǎn)是零下183攝氏度，而液氫的沸點(diǎn)更是驚人的零下253攝氏度，僅高于絕對(duì)零度20度（絕對(duì)溫度為零下273攝氏度），是名副其實(shí)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(diǎn)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(wú)論燃料本身，還是燃燒生成的水蒸氣，都是完全綠色無(wú)污染的。
發(fā)射前夕，長(zhǎng)征五號(hào)B轉(zhuǎn)運(yùn)情景。
7月23日，文昌發(fā)射場(chǎng)已經(jīng)給長(zhǎng)征五號(hào)B進(jìn)行了煤油的加注，這是因?yàn)槊河褪浅厝剂?，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(shí)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(zhǎng)征五號(hào)和長(zhǎng)征五號(hào)B各司其職
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長(zhǎng)征五號(hào)主要是用于發(fā)射大質(zhì)量的深空探測(cè)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(guó)的“嫦娥五號(hào)”月球探測(cè)器和“天問一號(hào)”火星探測(cè)器的發(fā)射任務(wù)。長(zhǎng)征五號(hào)B則是運(yùn)送大質(zhì)量航天器到地球近地軌道，近地軌道的運(yùn)載能力達(dá)25噸，2021年執(zhí)行過天和核心艙的發(fā)射任務(wù)。
長(zhǎng)征五號(hào)用于執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)。這是準(zhǔn)備發(fā)射嫦娥五號(hào)時(shí)的情景，可見整流罩上標(biāo)有中國(guó)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(guó)在2020年7月23日發(fā)射了“天問一號(hào)”火星探測(cè)器，“天問一號(hào)”探測(cè)器由軌道器和火星車組成，目前工作狀態(tài)良好，時(shí)不時(shí)發(fā)回關(guān)于火星的重大發(fā)現(xiàn)。7月23日，“天問一號(hào)”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(hào)傳回的“火衛(wèi)一”的高清照片。
“天問”是我國(guó)系列深空項(xiàng)目的總稱，除了“天問一號(hào)”，后續(xù)還有“天問二號(hào)”、“天問三號(hào)”和“天問四號(hào)“。
因此，我們要記住“問天”是中國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)艙的名稱，“天問”是我國(guó)深空探測(cè)項(xiàng)目總稱。
09
中國(guó)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(guó)空間站建設(shè)已經(jīng)進(jìn)行了8次重大發(fā)射。今年年底，中國(guó)空間站基本建成還有3次發(fā)射，它們分別是：夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射、天舟五號(hào)發(fā)射和神舟十五號(hào)發(fā)射。其中夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙和天舟五號(hào)還是在海南文昌發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，神舟十五號(hào)在酒泉文星發(fā)射中心發(fā)射。有興趣的朋友，安排好時(shí)間，不要錯(cuò)過觀看現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射的機(jī)會(huì)。
制版｜小圭月
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