7月24日14時(shí)22分22秒，空間站問天實(shí)驗(yàn)艙在中國文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，這是我國空間站建造階段三個(gè)艙段中的第二個(gè)艙段，也是中國空間站的首個(gè)實(shí)驗(yàn)艙。

(資料圖)

中國空間站“問天實(shí)驗(yàn)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(shí)作為空間站內(nèi)的實(shí)驗(yàn)艙，它的主要作用還是作為“太空實(shí)驗(yàn)室”，工作艙中配置了大量的科學(xué)研究機(jī)柜，可以實(shí)現(xiàn)單學(xué)科或多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，整體達(dá)到國際先進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(dá)宇宙深處，發(fā)揮探索浩瀚星空的重要作用，進(jìn)一步彰顯510所齊心協(xié)力、拼搏創(chuàng)新的科研力量。

太空實(shí)驗(yàn)室的艙外“多孔端口”——載荷適配器

“問天實(shí)驗(yàn)艙”作為現(xiàn)在我國最先進(jìn)的太空實(shí)驗(yàn)艙，除了可以進(jìn)行空間生命科學(xué)的研究外，同時(shí)還具備材料艙外暴露裝置，為未來部分科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(yàn)，是我國空間站達(dá)到國際先進(jìn)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(jī)械、供電、信息和熱接口等，是“太空實(shí)驗(yàn)室”運(yùn)營后艙外暴露科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，其艙外實(shí)驗(yàn)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(duì)接機(jī)構(gòu)，由主動(dòng)端和被動(dòng)端組成，安裝在空間站實(shí)驗(yàn)艙I外暴露平臺(tái)的22臺(tái)陣列化布置的“端口插座”由載荷適配器的被動(dòng)端實(shí)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(dòng)端擔(dān)當(dāng)，并利用機(jī)械臂操作實(shí)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(duì)接機(jī)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上還配置了控溫液路及冷板，實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的主動(dòng)熱控。

此次“問天”實(shí)驗(yàn)艙相較于“天和”配備了一個(gè)精巧的小型機(jī)械臂，可以單獨(dú)發(fā)揮作用，也可與“天和”的大型機(jī)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(duì)支持機(jī)械臂在軌操作的需求，510所通過技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的載荷適配器被動(dòng)端“分步被動(dòng)引導(dǎo)組件”可實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)端的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)校正機(jī)械臂操作偏差的功能，引導(dǎo)過程也可通過主動(dòng)端同步捕獲、主動(dòng)校正、自潤滑楔緊鎖和浮動(dòng)連接器來實(shí)現(xiàn)鎖緊和資源連通被動(dòng)端的功能，從而實(shí)現(xiàn)載荷適配器的“輕小型對(duì)接機(jī)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(dòng)位姿校正、剛性鎖緊等14項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在四次大系統(tǒng)機(jī)械臂載荷操作試驗(yàn)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(jī)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(dá)到了國際先進(jìn)水平，是“太空實(shí)驗(yàn)室”里不可或缺的重要部分。

太空實(shí)驗(yàn)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(hào)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(gè)“見證歷史”的重要時(shí)刻。

后續(xù)航天員還將首次從問天實(shí)驗(yàn)艙氣閘艙出艙，艙外活動(dòng)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(huì)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(jī)、電、光一體化設(shè)備，由投光燈單元、云臺(tái)機(jī)構(gòu)、無源展開機(jī)構(gòu)及控制器組成，依靠多自由度云臺(tái)的方位角度、俯仰角度動(dòng)態(tài)特性提供空間站艙外的動(dòng)態(tài)照明、伴隨照明，用于支持航天員出艙活動(dòng)和監(jiān)視攝像。該設(shè)備在“問天”發(fā)射時(shí)為機(jī)構(gòu)折疊壓緊狀態(tài),在軌之后將轉(zhuǎn)換為機(jī)構(gòu)展開到位并鎖定狀態(tài)。該設(shè)備云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大，能實(shí)現(xiàn)“太空實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)分別從材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等幾個(gè)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(jì)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(yàn)，保證了在軌長時(shí)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(jì)，才得以實(shí)現(xiàn)的。510所的“艙外投光照明子系統(tǒng)”在“太空實(shí)驗(yàn)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(dòng)提供良好的照明，也為出艙活動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(gè)空間站的報(bào)警信息實(shí)現(xiàn)對(duì)航天員的語音報(bào)警提示，還能實(shí)現(xiàn)航天員與地面的天地電話，實(shí)現(xiàn)多艙狀態(tài)下各艙段航天員之間及地面測(cè)控中心的會(huì)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(jì)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(jìn)行在軌升級(jí)。510所“音頻單元”軟件研制團(tuán)隊(duì)在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了軟件三級(jí)加載方案，該方案可以應(yīng)對(duì)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(huì)“死機(jī)”。在空間站天地通訊網(wǎng)數(shù)據(jù)注入實(shí)驗(yàn)過程中，研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過48小時(shí)不間斷測(cè)試，掌握了復(fù)雜天地?cái)?shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)上傳帶寬和時(shí)延容限等技術(shù)細(xì)節(jié)，制定了窄帶寬、長時(shí)延、高誤碼率情況下的軟件在軌注入策略。空間站音頻單元還具有免提通話功能，為了保證語音播報(bào)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(yáng)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(shí)驗(yàn)過程中，通過對(duì)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(gè)新教室中開展“天地通話”和全新“太空授課”，音頻單元也會(huì)給航天員帶去全新的授課“音頻”體驗(yàn)。

航天員的艙內(nèi)“太空家居”照明體驗(yàn)——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(dòng)都離不開照明設(shè)備。510所承擔(dān)了“問天實(shí)驗(yàn)艙”大部分照明產(chǎn)品研制工作，配套照明類產(chǎn)品共計(jì)7種，36余臺(tái)/套。其中全新設(shè)計(jì)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(tái)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(huì)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(duì)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(dòng)設(shè)備WiFi無線控制、照明開關(guān)板有線控制等，這些設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)中。針對(duì)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(xiàng)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(shí)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(shí)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(jìn)行艙外活動(dòng)。除此之外，問天艙照明產(chǎn)品還有報(bào)警燈、專用照明燈、專用照明控制板等特殊場(chǎng)景燈具，它們共同構(gòu)建了一個(gè)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(shì)，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(shí)地團(tuán)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(xiàn)了屬于510所的磅礴力量。

來源：蘭州空間技術(shù)物理研究所