羅 斌，季逸民，吳 軍

（1.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

1992 年，我國做出了實(shí)施載人航天工程的重大戰(zhàn)略決策，確定了三步走的發(fā)展戰(zhàn)略［1］。1999 年起，中國先后實(shí)施并勝利完成了載人航天第一步、第二步發(fā)展戰(zhàn)略，突破了載人天地往返技術(shù)、出艙活動技術(shù)、交會對接技術(shù)，成為了世界上少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立掌握載人航天技術(shù)的國家，大幅提高了我國的國際威望，增強(qiáng)了民族凝聚力。

2010 年9 月，空間站工程正式獲得國家批準(zhǔn)并開始實(shí)施［2］，同時(shí)明確了我國空間站工程的戰(zhàn)略目標(biāo)是：在2020 年前后建成和運(yùn)營近地空間站，使我國成為獨(dú)立掌握近地空間長期載人飛行技術(shù)，具備長期開展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)和綜合開發(fā)利用太空資源能力的國家。

2012 年3 月，在工程總體領(lǐng)導(dǎo)下，經(jīng)充分論證，立足我國國情，借鑒國際載人航天發(fā)展歷程及空間站建造經(jīng)驗(yàn)，充分繼承我國載人航天工程前期成果的基礎(chǔ)上，我國提出了“天宮”空間站基本方案，明確了空間站基本型采用三艙T 字構(gòu)型組合體，由天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙組成［3-6］；明確了三艙功能定位：天和核心艙作為空間站平臺統(tǒng)一管理與控制核心，支持其他飛行器的交會對接及轉(zhuǎn)位停泊，為航天員長期在軌駐留提供支持，支持航天員出艙活動；問天實(shí)驗(yàn)艙主要功能是對天和核心艙關(guān)鍵平臺功能進(jìn)行備份，為航天員提供專用氣閘艙，支持航天員出艙，并支持開展較大規(guī)模艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。夢天實(shí)驗(yàn)艙主要功能定位是支持多功能光學(xué)設(shè)施［7］，并支持開展大規(guī)模艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)［8-9］。

2012 年3 月—2022 年10 月，歷時(shí)約10 年，夢 天實(shí)驗(yàn)艙先后經(jīng)歷方案設(shè)計(jì)、方案調(diào)整、初樣研制、正樣研制、發(fā)射場等多個(gè)階段研制工作：1）2012 年3 月—2014 年6 月，夢天實(shí)驗(yàn)艙研制工作突破了大開口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，完成了以5 t 級多功能光學(xué)設(shè)施為主載荷的方案設(shè)計(jì)。2）2014 年初，由于功能調(diào)整，多功能光學(xué)設(shè)施獨(dú)立成為巡天艙［10］，與空間站共軌飛行。夢天實(shí)驗(yàn)艙功能定位調(diào)整為支持貨物進(jìn)出艙、支持微小飛行器在軌釋放，并支持艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。3）2014 年10 月，夢天實(shí)驗(yàn)艙完成方案設(shè)計(jì)研制工作，轉(zhuǎn)入初樣研制階段。4）2021 年4 月，夢天實(shí)驗(yàn)艙完成初樣階段研制工作，轉(zhuǎn)入正樣研制階段。5）2022 年7 月，夢天實(shí)驗(yàn)艙完成正樣研制，具備出廠條件。6）2022 年10 月31 日，夢天實(shí)驗(yàn)艙在海南文昌發(fā)射中心，搭乘CZ-5B 運(yùn)載火箭發(fā)射升空，與先期發(fā)射的天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙完成了交會對接與轉(zhuǎn)位組裝，完成了“天宮”空間站三艙T 字基本構(gòu)型的建造。

1 總體方案

夢天實(shí)驗(yàn)艙的主要任務(wù)是：1）在軌完成與核心艙和實(shí)驗(yàn)艙I 組合體的交會對接、艙段轉(zhuǎn)位和停泊，形成剛性連接。2）與核心艙和實(shí)驗(yàn)艙I 組合體對接、轉(zhuǎn)位形成空間站組合體后，參與組合體的管理與控制。3）為航天員在密封艙內(nèi)工作提供保障條件。4）為開展密封艙內(nèi)、非密封艙和艙外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)提供保障條件，提供貨物氣閘，實(shí)現(xiàn)載荷進(jìn)出艙；支持在軌釋放微小飛行器。

夢天實(shí)驗(yàn)艙全長17.88 m、最大直徑4.2 m、總質(zhì)量23 t、負(fù)載功率13.5 kW；采用四艙構(gòu)型，由工作艙、貨物氣閘艙［11］、載荷艙及資源艙四艙構(gòu)成，如圖1 所示。工作艙為密封艙，為航天員生活工作提供空間，安裝艙內(nèi)平臺設(shè)備及艙內(nèi)應(yīng)用載荷機(jī)柜；貨物氣閘艙為密封艙，配置相關(guān)設(shè)備支持各類貨物進(jìn)出密封艙；載荷艙為非密封艙，設(shè)置固定式和展開式暴露平臺，集中支持艙外載荷試驗(yàn)；資源艙為非密封艙，主要安裝推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備，電源系統(tǒng)設(shè)備等，為整艙提供動力和能源，并支持少量艙外載荷試驗(yàn)。夢天實(shí)驗(yàn)艙由15 個(gè)分系統(tǒng)及2 個(gè)總裝直屬機(jī)構(gòu)組成，如圖2 所示。

圖1 夢天實(shí)驗(yàn)艙構(gòu)型Fig.1 Configuration of the Mengtian lab module

圖2 夢天實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)組成Fig.2 System composition of the Mengtian llab module

1）結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)由工作艙結(jié)構(gòu)、貨物氣閘艙結(jié)構(gòu)、載荷艙結(jié)構(gòu)、資源艙結(jié)構(gòu)、前艙門、內(nèi)艙門、外艙門、力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)、微流星撞擊感知系統(tǒng)等組成。工作艙、貨物氣閘艙均采用網(wǎng)格加筋壁板焊接密封結(jié)構(gòu)；載荷艙、資源艙采用框桁蒙皮鉚接結(jié)構(gòu)。載荷艙配置可展開暴露平臺，可在軌展開。

2）GNC 分系統(tǒng)。

GNC 分系統(tǒng)（飛船的制導(dǎo)（Guidance）、導(dǎo)航（Navigation）與控制（Control））獨(dú)立飛行期間主要負(fù)責(zé)整艙的姿態(tài)與軌道控制［12-13］，三艙組合體期間參與并配合整個(gè)組合體的協(xié)同控制；配置二浮陀螺、光纖陀螺等慣性測量單元，配置星敏感器、地球敏感器、0-1 太陽敏感器、數(shù)字太陽敏感器用于整艙姿態(tài)測量；采用北斗兼容機(jī)測定軌與地面測定軌相結(jié)合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航；配置差分GNSS、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)、CRDS 光學(xué)成像敏感器及遙操作攝像機(jī)，完成與空間站相對導(dǎo)航。交會對接期間，采用基于地面計(jì)算制導(dǎo)策略的全相位快交方案，交會對接時(shí)間約13.5 h。

3）電源分系統(tǒng)。

電源分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為整艙提供能源［14-15］；采用太陽電池翼+鋰電池組的100 V 高壓光伏電源系統(tǒng)方案，共設(shè)置兩個(gè)完全獨(dú)立的功率通道，單通道負(fù)載能力≥6.75 kW，整艙負(fù)載能力≥13.5 kW。配置兩幅柔性太陽電池翼，單翼面積約138 m2；太陽翼采用雙自由度對日定向模式，配置對日定向裝置和驅(qū)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)太陽翼穩(wěn)定跟蹤；采用S3R 功率調(diào)節(jié)模式，將母線電壓控制在102～107 V 范圍內(nèi)。

4）數(shù)據(jù)與健康管理分系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)與健康管理分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整艙的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換、程控指令分發(fā)、時(shí)間分配、自主健康管理，對整艙系統(tǒng)網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一管理［16］。整艙系統(tǒng)網(wǎng)采用1553B 總線架構(gòu)，分為控制層、本地層及用戶層三級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置通用計(jì)算機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)化的綜合業(yè)務(wù)單元實(shí)現(xiàn)對整艙數(shù)據(jù)的綜合管理。配置對接總線，可與組合體實(shí)現(xiàn)1553B 總線并網(wǎng)。

5）總體電路分系統(tǒng)。

總體電路分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整艙的能源分配、火工控制及電纜網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。采用分級配電架構(gòu)，分為母線傳輸及切換層、母線控制層、總體配電層、分系統(tǒng)配電層4 層配電。母線傳輸與控制層配置母線切換單元，可實(shí)現(xiàn)整艙與空間站其他兩艙間的功率調(diào)配與并網(wǎng)供電；母線控制層配置母線控制單元，將整艙兩條功率通道輸出能源分配至各配電單元；總體配電層配置多臺標(biāo)準(zhǔn)化功率控制單元，將電能分配至各用電設(shè)備；分系統(tǒng)配電層為下游設(shè)備提供電壓變換及二次配電。

6）測控通信分系統(tǒng)。

測控通信分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整艙的天/地基跟蹤測軌、空空通信、遙控指令、圖像通信、話音通信、網(wǎng)絡(luò)通信、天地?cái)?shù)傳、頻率基準(zhǔn)以及環(huán)境測量，對整艙通信網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。采用地基USB［17］與天基BD/GPS 相結(jié)合的跟蹤測軌方案；配置USB 鏈路、窄波束S 中繼鏈路、寬波束S 中繼鏈路、Ka 中繼鏈路、空空通信鏈路等，實(shí)現(xiàn)天地及航天器間通信；配置以太網(wǎng)交換機(jī)、無線WIFI 等設(shè)備，采用千兆以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像、語音數(shù)據(jù)高速傳輸，具備與組合體進(jìn)行通信網(wǎng)并網(wǎng)能力。

7）熱控分系統(tǒng)。

熱控分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整艙的熱量收集、傳輸與排散，控制整艙平臺溫度。采用主動流體回路為主，被動散熱為輔的總體方案。配置中溫內(nèi)回路、載荷回路、外回路等多條獨(dú)立流體回路，實(shí)現(xiàn)整艙設(shè)備溫度控制；內(nèi)回路可與組合體其他兩艙流體回路并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)熱量及散熱能力調(diào)配。

8）推進(jìn)分系統(tǒng)。

推進(jìn)分系統(tǒng)主要為整艙提供變軌沖量。推進(jìn)系統(tǒng)采用甲基肼和四氧化二氮雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，增壓氣體為氦氣；共配置490 N 軌控發(fā)動機(jī)4 臺、24 臺150 N 姿態(tài)發(fā)動機(jī)、8 臺120 N 滾動發(fā)動機(jī)；采用4 個(gè)400 L 金屬膜片貯箱儲存推進(jìn)劑。

9）對接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)。

對接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)［18］主要負(fù)責(zé)與天和核心艙的對接、轉(zhuǎn)位、?？?、分離。配置主動對接機(jī)構(gòu)機(jī)械組件、主動對接控制器、對接驅(qū)動器、轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂和轉(zhuǎn)位控制器等。

10）機(jī)械臂分系統(tǒng)。

機(jī)械臂分系統(tǒng)［19-20］在夢天實(shí)驗(yàn)艙上主要配置有2 個(gè)折疊式目標(biāo)適配器、4 個(gè)小臂目標(biāo)適配器及多個(gè)小臂靶標(biāo)，支持組合體期間核心艙及實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂在夢天艙外的爬行及操作。

11）儀表照明分系統(tǒng)。

儀表照明分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整艙的儀表信息支持與照明支持，配置儀表計(jì)算機(jī)、智能顯示器及音頻單元，為航天員提供整艙信息；采用聲光電等多種手段為航天員提供整站報(bào)警信息；配置LED 照明燈，實(shí)現(xiàn)整艙照明。

12）環(huán)控生保分系統(tǒng)。

環(huán)控生保分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整艙供氣調(diào)壓、通風(fēng)凈化、空氣溫濕度控制、環(huán)境監(jiān)測及煙火監(jiān)測與滅火。配置低溫內(nèi)回路及通風(fēng)換熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整艙空氣溫濕度控制；配置微生物凈化器、火災(zāi)凈化器實(shí)現(xiàn)整艙空氣凈化；配置感煙傳感器、差定溫探測器實(shí)現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)測，并配置滅火器、滅火濕巾及應(yīng)急呼吸裝置供航天員滅火時(shí)使用。配置一套壓控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整艙總壓控制、對接通道泄復(fù)壓控制、貨物氣閘區(qū)泄復(fù)壓控制功能。

13）空間技術(shù)試驗(yàn)分系統(tǒng)。

空間技術(shù)試驗(yàn)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)為應(yīng)用載荷試驗(yàn)提供支持。配置載荷管理單元，通過1553B 總線，實(shí)現(xiàn)與艙內(nèi)及艙外載荷管理主機(jī)的數(shù)據(jù)交互；配置骨干交換機(jī)，采用萬兆以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用載荷管理設(shè)備的高速數(shù)據(jù)連接；具備與組合體其他兩艙載荷網(wǎng)并網(wǎng)能力，實(shí)現(xiàn)三艙高速數(shù)據(jù)互聯(lián)。

14）乘員分系統(tǒng)。

乘員分系統(tǒng)［21］是夢天主要配置微重力抗阻鍛煉裝置，為航天員提供失重防護(hù)鍛煉服務(wù)。

15）物資管理分系統(tǒng)。

物資管理分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)整艙內(nèi)飾、身體限位輔助設(shè)施、標(biāo)簽標(biāo)識、物資存儲管理等功能。夢天實(shí)驗(yàn)艙采用一套移動式身體限位方案設(shè)計(jì)，方便航天員根據(jù)任務(wù)需要調(diào)整限位裝置的安裝位置。

16）載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。

夢天配置一臺載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)貨物的艙內(nèi)外轉(zhuǎn)運(yùn)。載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)安裝在貨物氣閘艙內(nèi)，具備伸縮與旋轉(zhuǎn)功能，可在航天員與地面操作下，與內(nèi)外艙門、機(jī)械臂協(xié)同完成貨物艙內(nèi)外的轉(zhuǎn)運(yùn)工作。

17）小衛(wèi)星釋放機(jī)構(gòu)。

夢天配置一套微小衛(wèi)星釋放機(jī)構(gòu)，利用載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，在機(jī)械臂的協(xié)同工作下，實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星或立方星的在軌釋放。

夢天實(shí)驗(yàn)艙主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 夢天實(shí)驗(yàn)艙主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technology indicators of the Mengtian lab module

表2 載荷貨物進(jìn)出艙功能測試情況Tab.2 Test results of payload inbound and outbound transportation

2 技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

夢天實(shí)驗(yàn)艙作為我國空間站三艙T 字基本構(gòu)型的重要組成部分，系統(tǒng)架構(gòu)上采用了三艙統(tǒng)一設(shè)計(jì)，在控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、環(huán)控生保系統(tǒng)等設(shè)計(jì)方面，有許多與天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙相同或相似的特點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)。此外，夢天實(shí)驗(yàn)艙也有許多自身的技術(shù)特點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：1）載荷支持能力強(qiáng)，任務(wù)特點(diǎn)突出；2）首次在載人航天器上采用嵌套式總體構(gòu)型和可展開式主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3）首次實(shí)現(xiàn)貨物進(jìn)出艙，首次采用弧形自動艙門技術(shù)；4）首次實(shí)現(xiàn)在軌可重復(fù)使用微小飛行器在軌釋放技術(shù)。

2.1 載荷支持能力強(qiáng)

夢天實(shí)驗(yàn)艙是空間站3 個(gè)艙段中載荷支持能力最強(qiáng)的艙段。艙內(nèi)可支持13 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜、艙外為載荷提供37 個(gè)試驗(yàn)工位，約占空間站整體載荷支持能力的50%。

艙內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜集中布置在艙內(nèi)C/D/E/F區(qū)域，如圖3 所示。夢天實(shí)驗(yàn)艙平臺為每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜提供1 路1 500 W 供電支持；載荷配置一套應(yīng)用流體回路，平臺通過換熱器為應(yīng)用流體回路提供≥5 000 W 的散熱支持；平臺配置一套真空/排氣系統(tǒng)，為艙內(nèi)機(jī)柜提供6 路真空資源、6 路排氣支持。真空排氣系統(tǒng)通過閥門連接至艙外真空環(huán)境，可為載荷提供真空度≤0.15 Pa 的真空或排氣支持。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜布局Fig.3 Schematic diagram of a standard payload cabinet

艙外載荷主要布置在載荷艙與資源艙。平臺為艙外載荷提供8 處固定安裝工位和29 處標(biāo)準(zhǔn)載荷適配器安裝工位。29 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷適配器工位，涵蓋對天、對地、迎風(fēng)面、被風(fēng)面等多個(gè)方向，適應(yīng)載荷不同位置需求；配置獨(dú)立載荷流體回路，為部分標(biāo)準(zhǔn)載荷適配器提供流體回路散熱支持，合計(jì)散熱能力≥2 000 W。

2.2 嵌套式構(gòu)型設(shè)計(jì)及可展開暴露平臺

夢天實(shí)驗(yàn)艙由4 個(gè)艙段組成，其中載荷艙和貨物氣閘艙首次采用了獨(dú)特的嵌套式艙體設(shè)計(jì)。貨物氣閘艙隱藏在載荷艙內(nèi)部，與工作艙相連；載荷艙與工作艙及資源艙相連。這種特殊的構(gòu)型設(shè)計(jì)優(yōu)勢為：

1）貨物氣閘艙直徑約2.20 m，資源艙直徑約2.65 m，載荷艙直徑4.10 m，載荷艙與資源艙相連，有利于優(yōu)化整艙傳力路徑，保持整艙基頻特性。2）貨物氣閘艙與載荷艙嵌套，提升了整艙的空間利用率；從貨物氣閘艙出艙的載荷，可以就近安裝在載荷艙暴露平臺上，提高作業(yè)效率。3）載荷艙包裹住貨物氣閘艙，起到了防護(hù)的作用，提升了綜合效益。

載荷艙在I、III 象限，各設(shè)計(jì)了一塊展開式暴露平臺，如圖4 所示，單塊尺寸為2.0 m×2.5 m，面積約5 m2，其上設(shè)置8 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷適配器，支持艙外載荷試驗(yàn)。暴露平臺發(fā)射時(shí)處于收攏狀態(tài)，作為主傳力結(jié)構(gòu)參與整艙結(jié)構(gòu)承載；對接完成后，采用有源展開機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)180°在軌展開，再由航天員出艙活動完成暴露平臺支撐桿的最終組裝工作?？烧归_暴露平臺首次采用可展開主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也是首次有航天員參與的主結(jié)構(gòu)在軌建造，攻克了大開口高剛度結(jié)構(gòu)、主結(jié)構(gòu)在軌組裝建造設(shè)計(jì)等多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

圖4 展開式暴露平臺Fig.4 Schematic diagram of the extensible platform

2.3 貨物進(jìn)出艙設(shè)計(jì)

夢天實(shí)驗(yàn)艙首次實(shí)現(xiàn)了貨物進(jìn)出艙，將原本需要航天員出艙安裝的艙外載荷或貨物，改為地面遙操作自動機(jī)構(gòu)配合機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)完成，降低了航天員出艙活動工作負(fù)荷，提高了貨物進(jìn)出密封艙的效率，提升了空間站艙外載荷試驗(yàn)的綜合應(yīng)用效益。

貨物進(jìn)出艙功能，主要由載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、內(nèi)艙門、外艙門［22］、泄復(fù)壓支持設(shè)備組成。可支持最大包絡(luò)尺寸為1 150 mm×900 mm×1 200 mm，質(zhì)量≤400 kg 的貨物進(jìn)出艙。載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要用于貨物的艙內(nèi)外轉(zhuǎn)移，具備伸縮與旋轉(zhuǎn)功能；最大伸縮距離達(dá)1 800 mm，可旋轉(zhuǎn)90°。內(nèi)艙門采用通徑1 250 mm×1 310 mm 方形手動艙門。外艙門采用通徑1 230 mm×1 250 mm 弧形自動艙門，如圖5所示。3 種產(chǎn)品均為首次在軌使用。貨物氣閘艙泄壓采用氣體復(fù)用設(shè)計(jì)，復(fù)用率可達(dá)70%；復(fù)壓過程為防止低溫結(jié)露，首次提出了分段二次回溫復(fù)壓方案，確保泄壓的可靠性。

貨物進(jìn)出艙過程分為航天員艙內(nèi)安裝、貨物過閘、機(jī)械臂艙外安裝、回溫復(fù)壓等階段，如圖6 所示。主要流程為：1）載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸出至工作艙，航天員艙內(nèi)完成貨物自檢、并將貨物安裝至載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)［23］上；2）載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)縮回至貨物氣閘艙，旋轉(zhuǎn)90°朝向外艙門方向；3）航天員關(guān)閉內(nèi)艙門，完成檢漏；4）貨物氣閘艙氣體復(fù)用、泄壓；5）打開外艙門，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸出至艙外；6）機(jī)械臂抓取載荷，并安裝至艙外試驗(yàn)工位；7）關(guān)閉外艙門、檢漏，貨物氣閘艙復(fù)壓；8）打開內(nèi)艙門，完成狀態(tài)恢復(fù)。

圖6 貨物進(jìn)出艙流程Fig.6 Process of payload inbound and outbound transportation

2.4 微小飛行器釋放設(shè)計(jì)

夢天實(shí)驗(yàn)艙首次實(shí)現(xiàn)在軌可重復(fù)使用的微小飛行器釋放。相較以往地面裝載、在軌一次性釋放微小飛行器的設(shè)計(jì)，夢天微小飛行器由航天員在軌進(jìn)行裝填，需充分考慮航天員在軌操作工效學(xué)問題，給設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。夢天配置的微小飛行器在軌釋放機(jī)構(gòu)采用了模塊化設(shè)計(jì)理念，由底板組合、背板組合、立方星釋放機(jī)構(gòu)、微衛(wèi)星釋放機(jī)構(gòu)組成，其中底板組合與背板組合為通用模塊，航天員根據(jù)任務(wù)需要選擇2 種釋放機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行組合，完成相應(yīng)任務(wù)。

航天員在軌完成釋放機(jī)構(gòu)組裝、衛(wèi)星在軌裝填后，利用夢天貨物進(jìn)出艙功能，將釋放機(jī)構(gòu)+微小飛行器組合送出艙外，由機(jī)械臂抓取后，移動至指向空間站后下方45°方向進(jìn)行在軌釋放。釋放完成后，釋放機(jī)構(gòu)返回艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用。

微衛(wèi)星釋放構(gòu)如圖7 所示，可支持釋放尺寸≤1 000 mm×500 mm×700 mm，質(zhì)量10～200 kg 的微衛(wèi)星；釋放初速度≥0.28 m/s，分離指向精度≤±2°。在執(zhí)行立方星釋放任務(wù)時(shí)（如圖8 所示），可支持1U、1.5U、2U、3U、6U 衛(wèi)星進(jìn)行組合釋放，一次任務(wù)最大不超過36 U；釋放初速度≥1 m/s。

圖7 微衛(wèi)星釋放構(gòu)型Fig.7 Configuration of micro-satellite releasement

圖8 立方星釋放構(gòu)型Fig.8 Configuration of cubesat releasement

3 在軌測試及任務(wù)執(zhí)行情況

3.1 交會對接及轉(zhuǎn)位任務(wù)執(zhí)行情況

空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙于2022 年10 月31 日15 時(shí)37 分搭乘長征五號B 遙四運(yùn)載火箭，從中國海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空?；鸺痫w約490 s 后，船箭正常分離，初始入軌參數(shù)滿足精度要求。艙箭分離18 min 后夢天實(shí)驗(yàn)艙太陽電池翼正常完成一次展開，展開用時(shí)約24 min。20 時(shí)56 分—23 時(shí)53 分，GNC 自主完成6 次軌控，11 月1 日0 時(shí)26 分，整 艙轉(zhuǎn)入自主控制段。1 日4 時(shí)20 分52 秒對接機(jī)構(gòu)捕獲，4 時(shí)27 分31秒對接機(jī)構(gòu)對接鎖鎖緊完成，4 時(shí)27 分48 秒對接過程結(jié)束。夢天實(shí)驗(yàn)艙對接初始條件滿足指標(biāo)要求，如圖9～12 所示，交會對接過程總推進(jìn)劑消耗量約為834 kg。

圖9 交會對接過程中相對速度變化情況Fig.9 Variation of the relative velocity during rendezvous and docking

圖10 交會對接過程中相對姿態(tài)變化情況Fig.10 Variation of the relative attitude during rendezvous and docking

圖11 交會對接過程中相對角速度變化情況Fig.11 Variation of the relative angular velocity during rendezvous and docking

圖12 交會對接過程中相對位置變化情況Fig.12 Variation of the relative position during rendezvous and docking

2022 年11 月3 日7 時(shí)12 分—9 時(shí)39 分，夢天實(shí)驗(yàn)艙完成了艙體轉(zhuǎn)位任務(wù)，從天和實(shí)驗(yàn)艙前向?qū)涌谵D(zhuǎn)位至Ⅱ象限永久停泊口。轉(zhuǎn)位過程順利完成，整個(gè)過程耗時(shí)64.3 min，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

11 月3 日15 時(shí)8 分，空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙展開式暴露平臺在軌正常展開到位，Ⅰ象限暴露平臺展開時(shí)間為176 s，Ⅲ象限暴露平臺展開時(shí)間為178 s，展開機(jī)構(gòu)電流及控制器溫度變化情況均滿足指標(biāo)要求，如圖13～15 所示。

圖13 暴露平臺展開過程Fig.13 Progress of extensible platform expanding

圖14 展開機(jī)構(gòu)電流變化情況Fig.14 Variation of the extensible platform mechanism current during extending

圖15 控制器溫度變化情況Fig.15 Variation of the platform controller temperature during extending

圖16 載荷貨物進(jìn)出艙及微小衛(wèi)星釋放聯(lián)合測試Fig.16 Joint test of payload inbound and outbound transportation and micro-satellite and cubesat releasement

3.2 在軌測試情況

空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙完成對接轉(zhuǎn)位，形成組合體三艙T字形基本構(gòu)型后，分別于2022年11月3日—11月8 日、2022 年11 月19 日—11 月24 日、2023 年1 月2 日—1 月4 日完成了平臺主要功能性能測試、機(jī)械臂爬行測試、載荷貨物進(jìn)出艙及微小衛(wèi)星釋放測試。

1）平臺主要功能性能測試

夢天實(shí)驗(yàn)艙關(guān)鍵性能測試主要包括信息功能測試、能源功能測試、控制功能融合測試。信息功能測試完成了組合體信息網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)測試、中繼鏈路測試及圖像話音測試，測試結(jié)果正常；能源功能測試主要包括夢天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)電能力測試及組合體能源并網(wǎng)測試，夢天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)電能力滿足指標(biāo)要求，并網(wǎng)功能正常；控制功能融合測試包括發(fā)動機(jī)融合使用測試、敏感器融合使用測試及組合體姿態(tài)測試，測試結(jié)果正常。

2）機(jī)械臂測試

2022 年11 月19 日—24 日，夢天實(shí)驗(yàn)艙完成了機(jī)械臂適配器遍歷測試、機(jī)械臂爬行測試及機(jī)械臂巡檢，并對小臂靶標(biāo)進(jìn)行了在軌標(biāo)定。測試過程中，核心艙機(jī)械臂、實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂分別爬行至夢天實(shí)驗(yàn)艙外機(jī)械臂適配器，并進(jìn)行加電測試。測試結(jié)果表明，夢天機(jī)械臂適配器在軌狀態(tài)正常，機(jī)械臂爬行功能正常，機(jī)械臂巡檢夢天艙外設(shè)備狀態(tài)正常，各靶標(biāo)標(biāo)定值均符合指標(biāo)要求。

3）載荷貨物進(jìn)出艙及微小衛(wèi)星釋放測試

2023年1月2日—1月4日，夢天實(shí)驗(yàn)艙以微小衛(wèi)星釋放機(jī)構(gòu)作為出艙載荷，完成了載荷貨物進(jìn)出艙功能、微小飛行器釋放功能聯(lián)合測試。測試過程為：①航天員將立方星釋放機(jī)構(gòu)組裝完成后，安裝在載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上；② 航天員關(guān)閉內(nèi)艙門，完成檢漏、氣體復(fù)用、泄壓后，地面打開外艙門；③載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)攜帶立方星釋放機(jī)構(gòu)伸出艙外；④ 機(jī)械臂抓捕并運(yùn)動至預(yù)定釋放位置后進(jìn)行微小衛(wèi)星釋放功能測試；⑤ 測試完成后，釋放機(jī)構(gòu)由機(jī)械臂安裝至載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上，返回艙內(nèi)。測試過程中，貨物進(jìn)出艙功能測試結(jié)果正常，微小飛行器在軌釋放功能正常，均滿足指標(biāo)要求如圖6 所示。

3.3 任務(wù)執(zhí)行情況

夢天實(shí)驗(yàn)艙完成主要功能性能測試后，轉(zhuǎn)入日常飛控任務(wù)。截至目前，已正常保證了神舟十四號—神舟十六號3 個(gè)乘組、9 人次的在軌工作與生活。期間，共執(zhí)行載荷貨物進(jìn)出艙任務(wù)12 次，航天員出艙任務(wù)5 次，艙內(nèi)外各類載荷均已完成開機(jī)檢測，夢天實(shí)驗(yàn)艙對應(yīng)的載荷支持功能正常，平臺各項(xiàng)功能正常。

1）艙內(nèi)載荷支持情況

空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射入軌以來艙內(nèi)所有實(shí)驗(yàn)機(jī)柜均已完成加電開機(jī)自檢并正常在軌運(yùn)行。2022 年12 月29 日 和2023 年1 月13 日，夢天實(shí)驗(yàn)艙首次完成了高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的抽真空排廢氣及燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的排廢氣工作，過程中夢天實(shí)驗(yàn)艙真空資源管路內(nèi)余壓滿足要求、排氣口溫度范圍13～55 ℃，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，夢天實(shí)驗(yàn)艙抽真空排廢氣支持能力正常，具體情況如圖17～18所示。

圖17 抽真空管路壓力變化情況（2022 年12 月29 日）Fig.17 Variation of the vacuuming tube pressure on December 29th，2022

圖18 排廢氣管路壓力變化情況（2022 年12 月29 日）Fig.18 Variation of the exhausting-gas tube pressure on December 29th，2022

2）艙外載荷支持情況

空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射入軌后，艙外激光時(shí)頻及微波時(shí)頻設(shè)備等固定安裝于夢天實(shí)驗(yàn)艙外的實(shí)驗(yàn)載荷，以及形成組合體后在軌安裝至載荷適配器上的艙外實(shí)驗(yàn)載荷均工作正常，所搭載的2 類載荷適配器載荷支持能力正常，夢天實(shí)驗(yàn)艙外載荷支持能力滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3）載荷貨物進(jìn)出艙任務(wù)執(zhí)行情況

空間站組合體形成以來，夢天實(shí)驗(yàn)艙已完成多次貨物進(jìn)出艙任務(wù)，成功完成了包括空間站平臺設(shè)備、應(yīng)用載荷在內(nèi)的多個(gè)貨物出艙任務(wù)。這期間，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)工作正常，貨物氣閘艙氣閘功能正常，氣體復(fù)用率及艙門漏率等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，某次載荷進(jìn)出艙具體情況如圖19 和圖20 所示，載荷貨物進(jìn)出艙貨物氣閘艙指標(biāo)滿足情況見表3。

表3 載荷貨物進(jìn)出艙貨物氣閘艙指標(biāo)滿足情況Tab.3 Satisfaction results of the airlock cabin indicators during the payload inbound and outbound transportation missions

圖19 某次載荷貨物進(jìn)出艙期間夢天實(shí)驗(yàn)艙總壓變化情況（2023 年7 月6 日）Fig.19 Variation of the total pressure of the Mengtian lab cabin during some payload outbound transportation on July 6th，2023

圖20 2023 年7 月6 日某次載荷貨物進(jìn)出艙期間載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)機(jī)械組件溫度變化情況Fig.20 Variations of the payload transfer mechanism temperature during a payload outbound transportation mission on Jul.6th，2023

4）航天員出艙任務(wù)執(zhí)行情況。

空間站組合體形成以來，神舟15、神舟16 航天員乘組，先后于2023 年2 月9 日、4 月15 日、6 月7 日出艙完成了夢天實(shí)驗(yàn)艙的擴(kuò)展泵組、載荷回路擴(kuò)展泵組、暴露平臺撐桿的安裝及2 臺艙外全景相機(jī)的抬升工作。所有出艙工作均正常完成，設(shè)備工作正常，如圖21～24 所示。

圖21 航天員艙外安裝擴(kuò)展泵組Fig.21 Outboard extending pump package installed by an astronaut

圖22 航天員艙外安裝載荷回路擴(kuò)展泵組Fig.22 Outboard extending pump package of the payload loop installed by an astronaut

圖23 航天員艙外安裝暴露平臺撐桿Fig.23 Outboard jackstay of the extensible platform installed by an astronaut

圖24 航天員艙外抬升全景相機(jī)Fig.24 Outboard panorama camera upraised by an astronaut

4 應(yīng)用前景展望

夢天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射時(shí)，艙內(nèi)搭載了航天基礎(chǔ)試驗(yàn)柜、燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜［24-25］、流體物理實(shí)驗(yàn)柜［26］、高溫材料實(shí)驗(yàn)柜［27］、兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜、高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜、超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜、在線維修裝調(diào)等載荷試驗(yàn)機(jī)柜。艙外29 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷試驗(yàn)工位，已安裝多個(gè)艙外試驗(yàn)載荷。目前，已按計(jì)劃完成了所有艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜的供電檢查、基本功能自檢，開展了兩相、流體、高溫、燃燒等實(shí)驗(yàn)機(jī)柜的部分在軌實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涉及熱物理、生物、力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，取得了豐碩的成果。其余各項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)/實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照計(jì)劃正在逐步開展。后續(xù)隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，將會獲取一大批具有國際先進(jìn)水平的實(shí)驗(yàn)成果。艙內(nèi)剩余2 個(gè)機(jī)柜空間及艙外剩余標(biāo)準(zhǔn)載荷試驗(yàn)工位，正在工程統(tǒng)一安排下，面向全社會征集更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。未來空間站將進(jìn)一步發(fā)揮其“國家太空實(shí)驗(yàn)室”的優(yōu)勢，引領(lǐng)航天新技術(shù)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方向的發(fā)展，為中國的航天事業(yè)、人類的太空探索事業(yè)，提供強(qiáng)大的太空基礎(chǔ)設(shè)施支持。

5 結(jié)束語

夢天實(shí)驗(yàn)艙作為中國空間站T 字構(gòu)型的最后一個(gè)艙段，采用獨(dú)特的構(gòu)型設(shè)計(jì)，載荷支持能力強(qiáng)，具備特有的貨物進(jìn)出艙、微小飛行器在軌釋放功能，提升了中國空間站的綜合效益。發(fā)射后，夢天實(shí)驗(yàn)艙完成了交會對接、轉(zhuǎn)位、在軌功能測試等工作，狀態(tài)正常。目前，已多次執(zhí)行貨物進(jìn)出艙、航天員艙外活動等任務(wù)，工作正常。后續(xù)，夢天實(shí)驗(yàn)艙將在空間站組合體的統(tǒng)一管理與控制下，為航天員、應(yīng)用載荷提供支持，充分發(fā)揮空間站“國家太空實(shí)驗(yàn)室”的能力，為航天強(qiáng)國建設(shè)貢獻(xiàn)力量。