近觀天和核心艙

黃踐

中國(guó)科技館“天和”核心艙1：1結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件

什么是結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件？

天和核心艙是中國(guó)自主研制的規(guī)模最大、系統(tǒng)最復(fù)雜的航天器，它并非是直接設(shè)計(jì)制造的，而是先制作1：1結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件，并在其基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)而來(lái)。核心艙結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件可以說(shuō)是天和核心艙的“同胞兄弟”了，目前在中國(guó)科學(xué)技術(shù)館長(zhǎng)期展出。

結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件上的合金“鎧甲”

為什么要為天和核心艙設(shè)計(jì)“一級(jí)半構(gòu)型”火箭？

長(zhǎng)征五號(hào)B（以下簡(jiǎn)稱為“長(zhǎng)五B”）運(yùn)載火箭在火箭一級(jí)的基礎(chǔ)上捆綁了四個(gè)助推器，一般我們將助推器算作半級(jí)，所以長(zhǎng)五B是“一級(jí)半構(gòu)型”火箭。由于天和核心艙的發(fā)射質(zhì)量達(dá)到22.5噸，這就要求火箭需要較大的比沖，也就是單位推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量較大。長(zhǎng)五B就是這樣一款專門針對(duì)近地軌道設(shè)計(jì)的短跑選手，它的一級(jí)火箭配置的2臺(tái)YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)比沖高，4個(gè)助推器配置的共8臺(tái)YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力大，爆發(fā)力強(qiáng)。今年，長(zhǎng)五B運(yùn)載火箭將擔(dān)當(dāng)起發(fā)射問(wèn)天、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的重任。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)館“問(wèn)鼎太空征途”展廳的YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)

節(jié)點(diǎn)艙上的對(duì)接口（右）與停泊口（左）

對(duì)接口旁的十字靶標(biāo)

核心艙外部的節(jié)點(diǎn)艙方向標(biāo)識(shí)

核心艙外部的方向標(biāo)識(shí)

節(jié)點(diǎn)艙上的對(duì)接口與停泊口有什么不同？

節(jié)點(diǎn)艙是天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的重要樞紐，同時(shí)也是天宮空間站組成T字形構(gòu)型的唯一節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)艙后側(cè)與小柱段連接，前方與下方分別為前向?qū)涌谂c徑向?qū)涌冢笥覂蓚?cè)為停泊口，上側(cè)為出艙口。對(duì)接口用于載人飛船、貨運(yùn)飛船及其他飛行器訪問(wèn)空間站，設(shè)置了用于交會(huì)對(duì)接的角反射器與十字靶標(biāo);停泊口用于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙與核心艙組裝形成空間站組合體。

對(duì)接口旁的角反射器

航天員出艙工作時(shí)如何辨別方向？

航天員出艙工作時(shí)，艙外航天服受限的視野與太空失重的環(huán)境會(huì)讓辨認(rèn)方向成為難題，同時(shí)核心艙外部有太陽(yáng)翼、機(jī)械臂等結(jié)構(gòu)，艙外移動(dòng)時(shí)需要進(jìn)行避讓。為了解決這個(gè)問(wèn)題，天和核心艙外部設(shè)置了方向標(biāo)識(shí)，用羅馬數(shù)字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ標(biāo)示出核心艙上、下、左、右四個(gè)面，同時(shí)用漢字與箭頭標(biāo)示返回節(jié)點(diǎn)艙的移動(dòng)方向，按照箭頭的指示，航天員們就能安全返回節(jié)點(diǎn)艙的出艙口。

中國(guó)空間站機(jī)械臂有多靈活？

天和核心艙機(jī)械臂是對(duì)人類手臂的最真實(shí)還原，肩部3個(gè)關(guān)節(jié)，肘部1個(gè)關(guān)節(jié)，手腕3個(gè)關(guān)節(jié)，共有七個(gè)自由度，在太空可以實(shí)現(xiàn)類似人類手臂的運(yùn)動(dòng)能力，可以在太空抓取物體，方便設(shè)備的對(duì)接、安裝、變軌、分離等操作。同時(shí)，天和核心艙在多個(gè)位置設(shè)置了機(jī)械臂連接口，機(jī)械臂可以按照任務(wù)需求進(jìn)行移動(dòng)。

核心艙小柱段外的機(jī)械臂連接口

控制力矩陀螺

天和核心艙如何調(diào)整飛行姿態(tài)？

如果用手?jǐn)[動(dòng)一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，我們會(huì)感覺(jué)到明顯的阻力，這其實(shí)是旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的“角動(dòng)量”在起作用，航天器也是利用相同的原理來(lái)進(jìn)行姿態(tài)控制的。天和核心艙的6個(gè)“控制力矩陀螺”都安裝在大柱段與小柱段過(guò)渡的斜面上，每一顆“陀螺”球里邊都密封著一個(gè)鋼制的飛輪，飛輪以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，通過(guò)飛輪的加速、減速與旋轉(zhuǎn)輸出力矩，從而調(diào)整飛行的姿態(tài)。

為什么要在空間站中做實(shí)驗(yàn)？

空間站具有的特殊太空環(huán)境，為開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了特殊條件，比如微重力環(huán)境。在微重力環(huán)境下，物體是懸浮的，可以實(shí)現(xiàn)樣品懸浮的“無(wú)容器”實(shí)驗(yàn)，讓材料學(xué)研究擺脫實(shí)驗(yàn)容器的干擾。在微重力環(huán)境下，浮力也會(huì)消失，加熱流體的效果也會(huì)與地面顯著不同。地面上的物體做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，也可以提供類似的環(huán)境，但下落速度太快，難以利用，而在軌運(yùn)行的空間站所提供的長(zhǎng)期微重力環(huán)境為開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了獨(dú)特的條件。

無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜

太空授課中的“浮力消失”實(shí)驗(yàn)