7月24日14時(shí)22分，搭載問(wèn)天實(shí)驗艙的長(cháng)征五號B遙三運載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場(chǎng)準時(shí)點(diǎn)火發(fā)射。 □新華社照片
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7月24日，空間站問(wèn)天實(shí)驗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)驗艙。
此次“問(wèn)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、音頻單元、照明設備等一系列火爆“單品”，將乘坐“問(wèn)天”到達宇宙深處，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)驗室的艙外“多孔端口”——載荷適配器
“問(wèn)天實(shí)驗艙”作為現在我國最先進(jìn)的太空實(shí)驗艙，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(lái)部分科學(xué)實(shí)驗提供零壓力和真空環(huán)境。我國空間站建成后將開(kāi)展大量艙外暴露科學(xué)試驗，是我國空間站達到國際先進(jìn)水平的重要標志。而“載荷適配器”作為空間站中小型艙外載荷的通用接口設備，為中小型標準艙外載荷提供通用化的“多孔端口”，包括機械、供電、信息和熱接口等，是“太空實(shí)驗室”運營(yíng)后艙外暴露科學(xué)實(shí)驗的基礎，其艙外實(shí)驗載荷的在軌無(wú)人安裝、長(cháng)期在軌支持、多輪次更換，都離不開(kāi)510所研制的“載荷適配器”的幫助。
“載荷適配器”的本質(zhì)是一種輕小型對接機構，由主動(dòng)端和被動(dòng)端組成，安裝在空間站實(shí)驗艙I外暴露平臺的22臺陣列化布置的“端口插座”由載荷適配器的被動(dòng)端實(shí)現，后續隨“天舟”貨船分批次多輪上行的各式標準艙外載荷攜帶“端口插頭”由載荷適配器的主動(dòng)端擔當，并利用機械臂操作實(shí)現安裝和更替。另外根據是否具備為艙外載荷提供導熱通道，載荷適配器又分為I型(無(wú)導熱能力)和II型(有導熱能力)兩種，II型在具備I型輕小型對接機構功能的基礎上還配置了控溫液路及冷板，實(shí)現對載荷的主動(dòng)熱控。
此次“問(wèn)天”實(shí)驗艙相較于“天和”配備了一個(gè)精巧的小型機械臂，可以單獨發(fā)揮作用，也可與“天和”的大型機械臂配合完成航天員的出艙、艙外設施照料、巡檢等任務(wù)。針對支持機械臂在軌操作的需求，510所通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新設計的載荷適配器被動(dòng)端“分步被動(dòng)引導組件”可實(shí)現對主動(dòng)端的引導，實(shí)現校正機械臂操作偏差的功能，引導過(guò)程也可通過(guò)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(lái)實(shí)現鎖緊和資源連通被動(dòng)端的功能，從而實(shí)現載荷適配器的“輕小型對接機構“功能。510所”載荷適配器“的研制過(guò)程共攻克同步捕獲、主動(dòng)位姿校正、剛性鎖緊等 14項關(guān)鍵技術(shù)，在四次大系統機械臂載荷操作試驗中接口匹配良好：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，能夠可靠校正機械臂位姿偏差，鎖緊連通后的供電、通訊、傳熱性能優(yōu)良，整體性能已經(jīng)達到了國際先進(jìn)水平，是“太空實(shí)驗室”里不可或缺的重要部分。
太空實(shí)驗室的艙外“照明燈”——艙外投光照明子系統
當前，神舟十四號乘組的3名航天員正在中國空間站執行任務(wù)。
后續航天員還將首次從問(wèn)天實(shí)驗艙氣閘艙出艙，艙外活動(dòng)的開(kāi)展離不開(kāi)“照明燈”，而510 所研制的艙外投光照明子系統將會(huì )發(fā)揮重要作用。艙外投光照明子系統屬于復雜的艙外機、電、光一體化設備，由投光燈單元、云臺機構、無(wú)源展開(kāi)機構及控制器組成，依靠多自由度云臺的方位角度、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)和監視攝像。該設備在“問(wèn)天”發(fā)射時(shí)為機構折疊壓緊狀態(tài),在軌之后將轉換為機構展開(kāi)到位并鎖定狀態(tài)。該設備云臺的轉動(dòng)范圍大，能實(shí)現“太空實(shí)驗室”艙外不同照度需求下的亮度調整，并具備在軌維修功能。
為適應艙外環(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”的研制團隊分別從材料、工藝、結構設計等幾個(gè)方面開(kāi)展攻關(guān)，在經(jīng)歷了一次次的失敗，一次次的重來(lái)之后，成功攻克了四大關(guān)鍵技術(shù)，設計出了能夠抵御空間輻照的燈體結構以及光學(xué)照明系統，順利通過(guò)了特殊空間環(huán)境地面試驗，保證了在軌長(cháng)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)化設計，才得以實(shí)現的。510 所的“艙外投光照明子系統”在“太空實(shí)驗室”建成后將不僅為航天員長(cháng)期在軌駐留及開(kāi)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(guò)它的默默打光得以呈現的。
航天員的艙內“太空家居”語(yǔ)音設備——音頻單元
音頻單元作為終端音頻儀表設備，是510所為空間站新研的音頻設備。音頻單元可以支持多類(lèi)型、多通道音頻終端的輸入輸出，可以接收整個(gè)空間站的報警信息實(shí)現對航天員的語(yǔ)音報警提示，還能實(shí)現航天員與地面的天地電話(huà)，實(shí)現多艙狀態(tài)下各艙段航天員之間及地面測控中心的會(huì )議通話(huà)功能，為航天員在軌通話(huà)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備，在研制過(guò)程中面臨著(zhù)較多的聲學(xué)設計難題。為適應空間站任務(wù)的變化，空間站音頻單元軟件還可以進(jìn)行在軌升級。510所“音頻單元”軟件研制團隊在充分調研的基礎上，提出了軟件三級加載方案，該方案可以應對復雜的空間硬件環(huán)境和通訊環(huán)境，確保在最?lèi)毫拥那闆r下，軟件不會(huì )“死機”。在空間站天地通訊網(wǎng)數據注入實(shí)驗過(guò)程中，研制團隊經(jīng)過(guò)48小時(shí)不間斷測試，掌握了復雜天地數據傳輸過(guò)程中，數據上傳帶寬和時(shí)延容限等技術(shù)細節，制定了窄帶寬、長(cháng)時(shí)延、高誤碼率情況下的軟件在軌注入策略?？臻g站音頻單元還具有免提通話(huà)功能，為了保證語(yǔ)音播報質(zhì)量及通話(huà)效果，研制組自主開(kāi)發(fā)了回聲抑制算法、自激抑制功能，并優(yōu)化了聲腔結構，克服了設備空間有限、揚聲器與麥克風(fēng)物理距離過(guò)近、可選材質(zhì)限制等難題，解決了聲學(xué)設備容易出現的回聲抑制、自激嘯叫等問(wèn)題。在語(yǔ)音可懂度實(shí)驗過(guò)程中，通過(guò)對整艙噪聲環(huán)境分析，增加麥克風(fēng)的信噪比，從而提高語(yǔ)音的可懂度。之后航天員在“問(wèn)天”這個(gè)新教室中開(kāi)展“天地通話(huà)”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。
航天員的艙內“太空家居”照明體驗——照明設備
510所承擔了“問(wèn)天實(shí)驗艙”大部分照明產(chǎn)品研制工作，配套照明類(lèi)產(chǎn)品共計7種，36余臺/套。其中全新設計的照明產(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(lèi)20余臺產(chǎn)品。這是我國首次在空間飛行器上應用情景模式可調照明技術(shù)，也是全球首次在大型載人航天器內部全范圍應用情景照明技術(shù)。由于航天員長(cháng)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(wèn)題，情景照明產(chǎn)品通過(guò)對色溫、亮度、照明區域的可控調節，可解決上述問(wèn)題。照明模式可精確到工作模式、就餐模式、娛樂(lè )模式、睡眠模式等；照明區域也可細分為工作區、生活區、閱讀區、維修區等；操作方式包括手持移動(dòng)設備WiFi無(wú)線(xiàn)控制、照明開(kāi)關(guān)板有線(xiàn)控制等，這些設計都極大的提升了航天員在軌工作、生活的便利性和舒適性。
空間站便攜照明設備主要用于艙外精準維修照明和艙內母線(xiàn)掉電時(shí)航天員轉艙或逃逸的應急照明，目前在國外空間領(lǐng)域并無(wú)同類(lèi)產(chǎn)品。便攜照明設備滿(mǎn)足了在艙內、艙外工況下連續工作6小時(shí)的苛刻需求，也是國內首次將鋰電池應用于艙外便攜式產(chǎn)品設計中。針對鋰電池短路可能導致的起火、爆炸問(wèn)題，510所研制的“便攜照明設備”采取了多項技術(shù)，確保了鋰電池空間應用的可靠性。
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。是我國首次在軌應用的艙外空間環(huán)境長(cháng)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(cháng)時(shí)間耐受的技術(shù)難題，讓航天員在地球的陰影區也能正常進(jìn)行艙外活動(dòng)。除此之外，問(wèn)天艙照明產(chǎn)品還有報警燈、專(zhuān)用照明燈、專(zhuān)用照明控制板等特殊場(chǎng)景燈具，它們共同構建了一個(gè)明亮、舒適的中國空間站光環(huán)境。
在空間站“問(wèn)天”發(fā)射任務(wù)中，510所繼續發(fā)揮自身技術(shù)優(yōu)勢，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)地團結協(xié)作的品格，為我國航天事業(yè)的空間站建設貢獻了屬于510所的磅礴力量。
