7月24日下午，長征五號B遙三運載火箭托舉著問天實驗艙一飛沖天。約13小時后，問天實驗艙與核心艙組合體成功交會對接。7月25日10時03分，神舟十四號航天員乘組成功開啟問天實驗艙艙門，順利進入問天實驗艙。這是中國航天員首次在軌進入科學實驗艙。

“問天”長啥樣？帶了什么上天？能做哪些實驗？有哪些黑科技……“問天”十問，詳細解讀中國空間站問天實驗艙發射任務。

【資料圖】

問天實驗艙是中國空間站第二個艙段，也是首個科學實驗艙，主要用于支持航天員駐留、出艙活動和開展空間科學實驗，同時可作為天和核心艙的備份，對空間站進行管理。

“問天實驗艙艙體總長17.9米，直徑4.2米，發射重量約23噸，是我國目前最重、尺寸最大的單體飛行器。”航天科技集團五院空間站系統總體主任設計師張昊介紹。

“問天實驗艙需要與空間站天和核心艙進行交會對接，因此，必須在規定時間發射，也就是‘零窗口’發射，否則將無法到達指定位置，需要耗費巨大代價調整軌道；甚至導致發射終止，那就需要等待下一個發射窗口重新組織發射，嚴重影響任務周期。”航天科技集團一院長征五號B運載火箭總體副主任設計師劉秉說，這次發射是長五系列火箭首次執行“零窗口”發射任務。

劉秉介紹，長征五號B運載火箭應用了起飛時間偏差修正技術，最大修正時間為2.5分鐘。“通俗理解，在0到2.5分鐘這個時間段內的任一時間點發射，火箭都可以在飛行過程中自動修正因推遲發射導致的飛行偏差，將實驗艙精準送入預定軌道。”

問天實驗艙尺寸大、太陽翼柔，升空時具有發動機推力相對更小、羽流干擾更大等特點，多種情況耦合，給交會對接帶來諸多難題。航天科技集團五院問天實驗艙GNC分系統副主任設計師宋曉光說：“前輩留下了很多經驗，包括一些算法和策略，我們在這個基礎上針對問天實驗艙做了大量的設計和仿真驗證。”

“具體措施，一方面是把參數搞準，另一方面是在算法上做到有更強的適應能力。”宋曉光說。

25日3時13分，問天實驗艙與天和核心艙組合體完成交會對接。約7個小時后，神舟十四號航天員乘組進入問天實驗艙。為什么航天員在交會對接后沒有立即進入問天實驗艙？

“發射并完成對接后，航天員是不能直接進入問天實驗艙的。航天員首次進入至少需要以下步驟：首先是提前啟動艙內有害氣體凈化功能，建立滿足進人條件的環境，包括艙內的壓力、溫度、濕度和風速等，有些工作從地面就已經開展了；第二步是確保天和核心艙、過道和問天實驗艙壓力都一致平衡了，才可以輕松打開艙門。”航天員中心問天實驗艙環控生保分系統主任設計師羅亞斌說。

進入問天實驗艙后，航天員馬上又要進行忙碌的整理工作，包括物資搬運、生活環境布置、科學實驗準備、出艙活動準備，將“太空之家”布置得更加合理、寬敞、舒適。

問天實驗艙由工作艙、氣閘艙及資源艙3部分組成。問天實驗艙中的工作艙近10米長，是我國目前最大的載人密封航天器艙體。工作艙后面緊接著是氣閘艙，以后專門用于航天員出艙。再后面就是資源艙。

問天實驗艙艙內主要設備布局在工作艙，裝載了8個實驗柜，包括生命生態實驗柜、生物技術實驗柜、變重力科學實驗柜、科學手套箱、低溫存儲柜以及3個為后續預留的空置實驗柜，還有3個睡眠區、1個衛生區，以及平臺飛行所需要的設備。“艙外還裝載了22個載荷適配器，就像是把一個大型科學實驗室搬到了太空。”張昊說。

問天實驗艙的主要任務是進行生命科學和生物技術研究，艙內最具“含金量”的當屬8個寬1米、高1.8米、深0.8米的科學實驗柜。

載人航天工程空間應用系統副總師、中科院空間應用中心研究員呂從民介紹，生命生態實驗柜將開展擬南芥、果蠅、斑馬魚等動植物的空間生長實驗；生物技術實驗柜開展細胞組織培養、空間蛋白質結晶與分析、蛋白與核酸共起源和空間生物力學等實驗；變重力科學實驗柜支持開展微重力、模擬月球重力、火星重力等不同重力水平下的復雜流體物理、顆粒物質運動等科學研究；科學手套箱提供潔凈密閉空間和溫濕度環境控制，配置靈巧機械臂具備細胞級精細操作能力，為航天員操作多學科實驗樣品提供安全、高效支持；從-80℃到4℃的低溫存儲柜，能夠滿足不同實驗樣品的不同溫度需求。

實驗艙外部署了能量粒子探測器、等離子體原位成像探測器，為航天員健康、空間站安全運營提供保障支持，并可用于空間環境基礎研究。

相比一個飛行器或者一個航天器來說，多個航天器的組合，控制起來更復雜。張昊介紹，問天實驗艙跟天和核心艙對接完成后，要把這兩個艙段的組合體作為一個整體來進行控制，核心艙作為主控艙段，問天實驗艙是從屬地位，同時問天實驗艙的平臺功能與天和核心艙互為備份。

問天實驗艙所攜帶的太陽翼，是目前國內最長最大的柔性太陽翼，刷新了我國航天器在軌使用太陽帆板的紀錄。

宋曉光介紹，太陽翼采用了雙軸控制，在艙體姿態不做調整的情況下，就能隨時調整朝向。

空間站在軌建造完成后，天和核心艙的一個太陽帆板將轉移到問天實驗艙資源艙的尾部。屆時，問天實驗艙將成為名副其實的“主發電站”，為組合體源源不斷地供電送能。

與天和核心艙一樣，問天實驗艙也搭載了一個機械臂。相比于核心艙配備的展開長度達10米、最大承載質量25噸的大機械臂，問天實驗艙的機械臂要顯得更“短小精悍”。

張昊介紹，大機械臂手臂夠長，轉移范圍更大，作業半徑近10米；力氣夠大，簡直是一個“大力士”，可以抓住并轉移一個完整的航天器。

相比之下，問天實驗艙的小機械臂長度約5米，承載能力為3噸，但這個“小手”的設計目的就是抓握中小型設備，進行更為精細化的操作。

比如，它可以在不需要航天員出艙的情況下，獨立完成艙外載荷的安裝、更換等照料操作，可以有效節省航天員在軌工作負荷。

大小機械臂還可以組合使用，組成約15米長的組合臂，開展更多的艙外操作。“我們可以將大小機械臂視為人的兩只手，互相交接東西，協作使用；也可以將兩只手臂攥在一起，形成一個更長的機械臂，可以進行覆蓋整個空間站表面的一些操作和爬行需求。”張昊說。

空間站建造過程中“惜重如金”，但此次問天實驗艙攜帶了4個100多公斤的大家伙，學名叫控制力矩陀螺，已經升空的核心艙攜帶6個、天舟四號攜帶1個，隨后天舟五號還將攜帶1個，12個控制力矩陀螺聯合使用，就可以使超過100噸的空間站的姿態控制“坐如鐘、行如風”。

“通過控制力矩陀螺不同速度的轉動，能夠有效控制航天器的姿態，減少通過燃燒燃料推動航天器姿態調整的消耗，是一款節能神器。”宋曉光說。

我國第一臺控制力矩陀螺，是2011年隨天宮一號上天的。它的在軌應用是我國空間機電部件發展的一個里程碑，使我國成為國際上第三個掌握該技術的國家。

關鍵詞： 科學實驗 運載火箭 生物技術