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2023-01-31
發(fā)射成功！除了比國際空間站的艙段長 問天實驗艙還有啥亮點
更新時間：2022-07-24 18:01:55作者：未知
北京時間7月24日14時22分22秒，搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭在海南文昌航天發(fā)射場點火升空。約500秒后，組合體進入預定軌道，并實施星箭分離，發(fā)射任務取得圓滿成功。
這次發(fā)射任務有何亮點？問天實驗艙與天和核心艙有什么差異，未來會承擔哪些使命，具備哪些功能？南都大數(shù)據(jù)研究院告訴你。
發(fā)射任務：由長五B遙三火箭運載，實施零窗口發(fā)射
7月24日，問天實驗艙發(fā)射任務取得圓滿成功。究竟本次任務有什么亮點與難點？南都大數(shù)據(jù)研究院對比了本次與一年多以前的天和核心艙發(fā)射任務。
天和核心艙與問天實驗艙發(fā)射任務對比
數(shù)據(jù)顯示，一年多前的天和核心艙發(fā)射任務，組合體垂直轉運到發(fā)射場的時間為2021年4月23日，正式發(fā)射時間為6天后的11時23分。而問天實驗艙組合體的“公開亮相”時間為7月18日，也就是說，最后階段的對接、測試和演練等準備時間同樣為6天。
兩次發(fā)射任務的地點都在海南文昌航天發(fā)射場，均由長征五號B型運載火箭送達預定軌道。發(fā)射任務也取得圓滿成功。
另一方面，不同于一年前的4月，本次發(fā)射時間是7月下旬，正值海南當?shù)氐呐_風季和多雨季，再加上35攝氏度以上的高溫和猛烈的太陽光，對發(fā)射任務提出了全新考驗。據(jù)中國載人航天工程辦公室透露，針對海南的特殊氣候條件，文昌發(fā)射場采用的是“三垂一遠”測發(fā)模式，減少火箭在發(fā)射區(qū)的操作，縮短暴露在室外不良氣象環(huán)境下的時間和機會。同時，聯(lián)合海南、廣東等氣象部門，大力提高氣象預報的精準度，并通過不同功能的雷達，重點加強雷電監(jiān)測、降水探測和監(jiān)測以及淺層風探測能力建設，具備了應對復雜天氣變化的硬實力。
據(jù)航天科技集團一院透露，本次任務中，長五B火箭實施零窗口發(fā)射，這也是長五系列火箭首次執(zhí)行零窗口發(fā)射任務。“零窗口”是指發(fā)射時間范圍為零的發(fā)射窗口，也就是要求火箭必須分秒不差地點火升空。對此，火箭院長五B火箭總體副主任設計師劉秉在接受媒體采訪時表示：“問天實驗艙需要與空間站天和核心艙進行快速交會對接，因此，必須在規(guī)定時間分秒不差地發(fā)射，否則將無法到達指定位置，需要耗費巨大代價調整軌道；甚至導致發(fā)射終止，那就需要等待下一個發(fā)射窗口重新組織發(fā)射，嚴重影響任務周期?！?/p>
發(fā)射成功后，問天實驗艙會與天和核心艙進行對接，這是空間站首次在有航天員的狀態(tài)下迎接航天器來訪，也是我國目前最大噸位的兩個航天器之間的交會對接。
運載火箭：各司其職支援空間站建造，長征系列火箭百次發(fā)射用時越來越短
問天實驗艙的發(fā)射任務同樣由長五B運載火箭完成。其實，在中國空間站建設的不同階段，多個型號的長征運載火箭各司其職，將不同對象安全送達。
不同運載火箭的對比
據(jù)南都大數(shù)據(jù)研究院觀察，在中國空間站的在軌建造階段，主要由三種不同型號的運載火箭承擔相應任務。
空間站不同艙段的重量都在20噸以上，需要由運載能力強、起飛質量大的運載火箭完成，長五B火箭就成了不二之選，例如天和核心艙、問天實驗艙的發(fā)射任務。由于長征五號運載火箭需要特殊尺寸的塔架，所以，任務只能在緯度較低的文昌發(fā)射場的專屬發(fā)射架上完成。
長征二號F型系列運載火箭具有極高的可靠性、安全性，是我國載人發(fā)射的“專車”。據(jù)本系列火箭的首任總設計師劉竹生介紹，它的可靠性達0.97，安全性達0.997。簡單地說，就是發(fā)射100發(fā)，失敗不能超過3發(fā)；在這3發(fā)可能的失敗中，危及航天員生命安全的概率要小于千分之三。再加上搭載了故障檢測系統(tǒng)、逃逸救生系統(tǒng)等保障航天員安全的裝置，長二F火箭承擔了所有載人航天任務。如長征二號F遙十二火箭就在去年6月17日將聶海勝、劉伯明、湯洪波三名宇航員安全送抵天和核心艙；在太空出差長達半年的神舟十三號航天員乘組翟志剛、王亞平、葉光富，就是搭乘長征二號F遙十三運載火箭出發(fā)的。因逃脫、救援、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保等條件限制，目前長征二號F系列運載火箭都選擇在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空。
運送“太空快遞員”天舟系列貨運飛船則由長征七號系列火箭完成，發(fā)射地點也都選在海南文昌發(fā)射場。例如，不久前脫離了空間站組合體的天舟三號貨運飛船，就是在2021年9月20日搭乘長征七號遙四運載火箭，帶著近6噸的實驗器材、推進劑與航天員的航天服、生活物資、出艙消耗品等物資，從文昌發(fā)射場出發(fā)，最終成功抵達預定軌道，并完成與天和核心艙的交會對接。
另一方面，據(jù)新華社等媒體統(tǒng)計，截至發(fā)稿時，長征系列運載火箭已完成超過400次發(fā)射任務，成功率超95%。南都大數(shù)據(jù)研究院也統(tǒng)計了這400多次發(fā)射任務的用時。
長征系列運載火箭的發(fā)射次數(shù)用時對比
數(shù)據(jù)顯示，從1970年4月24日長征一號運載火箭首飛至2007年6月1日長征三號甲運載火箭發(fā)射鑫諾三號衛(wèi)星，長征火箭實現(xiàn)第一個100次發(fā)射，歷時37年；2014年12月7日，長征四號乙運載火箭成功發(fā)射中巴資源衛(wèi)星，用了7年多時間，長征火箭實現(xiàn)了第二個100次發(fā)射；2019年3月10日，長三乙火箭成功發(fā)射中星6C衛(wèi)星，僅僅4年多的時間里，長征火箭便實現(xiàn)了從200次向300次發(fā)射的跨越；2021年12月10日，長征四號乙發(fā)射實踐六號05組衛(wèi)星任務圓滿完成，耗時僅2年零九個月，長征火箭完成了第四個100發(fā)火箭的發(fā)射任務，飛行次數(shù)正式刷新為“400”。
功能定位：比國際空間站的艙段長，能進行科學實驗與控制備份
長五B火箭圓滿完成任務，將實驗艙送達預定軌道，但“問天”的太空之旅才剛剛開啟。相比天和核心艙，問天實驗艙有何異同，承擔著哪些獨特的任務？
天和核心艙與問天實驗艙主要參數(shù)對比
相比天和核心艙，問天實驗艙重了約0.5噸，長了1.3米，長度甚至超過了國際空間站的任何一個艙段。天和核心艙與問天實驗艙的最寬處直徑均為4.2米，內部空間（有效容積）同為50立方米左右。據(jù)航天科技集團五院專家介紹，“問天”的太陽帆板展開后，會明顯大于“天和”的，發(fā)電功率也幾乎是“天和”的兩倍。按照設計，空間站的預期壽命為10年，但后續(xù)可通過維修、更換零件等操作延長服務年限。
夢天實驗艙預計在10月底發(fā)射，與“天和”“問天”正式形成組合體。這三個艙段各自擁有哪些獨特的功能與定位，如何分工？
中國空間站不同艙段的功能和定位
未來，天和核心艙將作為節(jié)點艙，對接問天、夢天兩個實驗艙，從而構成中國新一代空間站。天和核心艙具備開展交會對接、轉位與停泊、乘組長期駐留、航天員出艙、保障空間科學實驗等能力，艙內配置有工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)以及鍛煉區(qū)，能夠為航天員工作和生活提供舒適良好的保障條件。未來，它也會成為空間站的管理和控制中心，使宇航員能在地面工作人員的協(xié)助下進行不同艙段、飛船的對接、轉移和分離等任務。
問天實驗艙主要由工作艙、氣閘艙、資源艙構成，主要任務是支持密封艙內應用和艙外試驗，存放航天員消耗品、空間站備品備件和補給貨物。按照設計，實驗艙內裝載了8個實驗機柜，艙外暴露實驗平臺配置了22個標準載荷接口。另一方面，問天實驗艙與天和核心艙都設有可供3名宇航員生活起居的必要設施。但“問天”的睡眠區(qū)采用了豎式睡艙，也就是說航天員將在睡眠艙內“站”著睡覺，這跟天和核心艙不一樣。此外，問天實驗艙還具有備份的空間站指揮控制系統(tǒng)，在遭遇意外情況時，可以用于宇航員緊急避險，并承擔指揮操控整個空間站組合體的任務。
夢天實驗艙則配置了貨物氣閘艙和艙外展開試驗平臺等空間。在艙外安裝的科學試驗設備可以通過貨運飛船運送到空間站，再通過貨物氣閘艙把載荷送到艙外，由機械臂或航天員安裝到艙外的平臺上，實現(xiàn)艙外試驗項目不斷更新。
雖同是實驗艙，但“問天”與“夢天”的實驗對象與內容卻各有側重。
問天與夢天所配備的不同類型實驗柜
據(jù)中國載人航天工程新聞發(fā)言人、中國載人航天工程辦公室副主任林西強介紹，問天實驗艙主要面向空間生命科學研究，配置了生命生態(tài)、生物技術和變重力科學等實驗柜，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、衰老等響應機理研究，以及密閉生態(tài)系統(tǒng)的實驗研究。夢天實驗艙主要面向微重力科學研究，配置了流體物理、材料科學、燃燒科學、基礎物理以及航天技術試驗等多學科方向的實驗柜，支持開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎燃燒過程、材料凝固機理等物質本質規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究。
專屬裝備：配備小型機械臂，既可獨立操作也能組合使用
據(jù)介紹，問天實驗艙配備了一臺小型機械臂，比天和核心艙的機械臂更小巧，精度也更高。
空間站上兩機械臂相關情況
據(jù)中國載人航天工程辦公室介紹，天和機械臂被科研人員稱為“大臂”。該臂重約0.74噸，最大承載力可達25噸，由兩根臂桿、7個活動關節(jié)、腕部相機、控制器、末端執(zhí)行器等結構組成，展開長度約10.2米。過去一年多時間里，在大型機械臂支持下，兩批神舟飛行乘組進行了4次航天員出艙活動，完成了艙外全景攝像機抬升、艙外擴展泵組安裝、機械臂轉接件安裝、艙表狀態(tài)檢查等一系列艙外作業(yè)任務。
空間站機械臂轉位貨運飛船試驗動態(tài)模擬圖。來源：中國載人航天工程辦公室
問天實驗艙的小型機械臂不同于大型機械臂，更為靈活、靈巧。與“前輩”一樣，它也是一款七自由度空間機械臂，臂展開長度約5米，相當于天和大型機械臂的一半，重量約0.35噸，負載能力為3噸。另一方面，小型機械臂的末端沒有采用撞針式設計，而是三指捕獲式。未來，通過這個精度更高的機器臂，實驗載荷可經(jīng)由夢天實驗艙的貨物氣閘艙實現(xiàn)艙內外空間的自動轉移，無須航天員出艙作業(yè)。
另一方面，這兩個機械臂可進行級聯(lián)組合使用。兩臂對接后展開長度可達15米，進一步擴大機械臂觸達范圍與距離，并配合完成太陽翼、遮光罩等設備的在軌維修、更換等操作。
此外，問天和夢天兩個實驗艙還各配備了一臺專用的對接機械臂，用于與天和核心艙的交會對接。換句話說，未來中國空間站將一共有四套不同定位、不同功能的機械臂，相互配合完成不同工作。
出品：南都大數(shù)據(jù)研究院
數(shù)據(jù)采集分析：陳澤然
制圖：何欣
數(shù)據(jù)來源：國家航天局、中國載人航天工程辦公室，新華社、人民日報、央視新聞、中國日報等媒體報道
圖片來源：國家航天局、中國載人航天工程辦公室、新華社等
統(tǒng)計截止時間：2022年7月24日