11月3日9時32分，中國空間站夢天實驗艙順利完成轉位，標志著中國空間站“T”字基本構型在軌組裝完成，向著建成空間站的目標邁出了關鍵一步。
中國載人航天工程按照“三步走”戰略規劃穩步推進。此前，在3個神舟飛船乘組的參與和3艘天舟貨運飛船的保障下，中國空間站完成了關鍵技術在軌驗證、問天實驗艙對接與轉位等工作，做好了接納夢天實驗艙的準備。作為中國空間站第3個大型艙段，夢天實驗艙作用關鍵，很多技術特點值得品味。
三艙互補各有分工
(資料圖片僅供參考)
中國空間站在分析借鑒國外空間站的設計理念及經驗教訓的基礎上，突出強調多艙段航天器的系統統一，按照三艙組合體進行一體化設計、統籌研制、集成驗證，通過3次發射完成在軌組裝建造。換句話說，3個艙段都是不可或缺的，通過各自資源、能力的集成，共同構成了性能強大、功能完整的70噸級“天宮”。這種創新實踐使得中國空間站能夠在適度規模條件下取得更高的研制效益，實現高效率資源利用和更強的系統冗余。
為實現長期載人可靠飛行并開展有人參與的多領域空間科學實驗與技術試驗，中國空間站全系統以“1=1+1+1”的方式構建，即整站功能被系統分解至3個艙段。
其中，天和核心艙負責空間站平臺的統一管理和控制，并作為目標飛行器支持來訪飛行器交會對接、轉位與停泊。由于天和核心艙是第一個發射并獨立運行的空間站艙段，它擁有完備的平臺功能和少量載荷支持能力。
今年7月24日發射的問天實驗艙可以對天和核心艙平臺功能進行系統級備份，具備對空間站組合體姿軌控、信息管理、能源管理、載人環境、熱管理等功能進行統一管理和控制的能力，能夠在應急情況下“整體接管”空間站。它支持航天員在軌駐留，提供專用氣閘艙和應急避難場所，還支持開展密封艙內、艙外科學實驗和技術試驗。
本次發射的夢天實驗艙具備平臺重要功能和關鍵設備的備份能力，可以為航天員在密封艙內工作、開展艙內及艙外空間實（試）驗提供保障條件。相比更早發射的兩個空間站艙段，夢天實驗艙除支持更多艙內和艙外載荷外還提高了自主能力，支持載荷與設備自動進出艙。
由上述功能分配可見，中國空間站不同艙段功能各有側重，既能相互補充，又具備適度冗余。順次發射的三艙在平臺功能上逐個減弱，而在載荷支持能力上越來越強。這體現了空間站建造的工程思路：在首先保證平臺安全的同時逐步擴展載荷保障能力，邊建造邊運行。
撐起能源供應“半壁江山”
夢天實驗艙和問天實驗艙的外部輪廓特征、尺寸基本一致，同為23噸級大型載荷。兩個實驗艙分別位于天和核心艙左右兩側，共同形成對稱的T字構型。三艙組合體不論是自身質量特性還是氣動阻力均做到了左右對稱，這對于姿態控制和軌道控制非常有利。特別是空間站進行軌道機動時，利用天和核心艙或者對接在其后的貨運飛船主發動機實施軌道控制，推力矢量正好處于對稱軸線上，更高效可靠。
由于T字構型組合體布置在同一平面，兩個實驗艙相向布置，加之各有近20米結構長度，各自尾端的太陽翼就被拉開約40米間距，使得兩對太陽翼在轉動時受遮擋影響很小。在夢天艙對接并轉位到位后，中國空間站基本構型的設計優勢將完全形成并充分施展。
同時，兩個實驗艙的太陽帆板完全一致，均配置了雙自由度驅動機構。也就是說，太陽帆板既能在太陽高度角方向上、也能在方位角方向上進行轉動，總是保持與太陽光線垂直，確保發電效率始終處于最佳狀態。
在雙自由度、大面積等多重優勢下，酷似“大風車”的太陽帆板將成為中國空間站的主要發電來源。通過供電并網，兩個實驗艙供應的能源將在各艙段進行統一調配，還能提供給飛船和未來的巡天光學艙。可以說，夢天實驗艙在電力供應上占據了空間站的“半壁江山”。
資源融合系統集成
夢天實驗艙對接轉位后，自身資源融入三艙組合體。空間站完成了繼問天實驗艙組裝后的又一次系統集成，具體可分為5個方面。
在控制系統方面，夢天艙控制總線與空間站組合體并網，本身控制計算機不再當班工作。夢天艙配備的各種敏感器（如星敏感器、紅外地球敏感器等）和執行機構（包括所有發動機）都成為空間站統一使用的資源，由三艙組合體當班控制器根據需求調配。
在信息系統方面，各種信息網絡實現大聯合，平臺總線、載荷以太網及其配備的WiFi均完成并網。空間站三艙平臺和載荷信息實現統一管理。
這就帶來了兩個顯著的好處。其一，不論設備安裝在哪個艙，系統對設備的監視和管理是無差別的，載荷用戶對不同位置設備的監視管理過程也是無感知的，有利于實現整站載荷資源的統一分配和動態管理。其二，三艙配置的中繼終端均可用于天地測控，平時可以規劃使用1～2個，延長設備在軌使用壽命，需要時進行接力通信，實現天地測控在切換中繼星時無縫銜接。此模式已在今年10月12日進行的問天艙首次太空授課中應用，夢天艙無疑能進一步增強空間站的天地聯系能力。
在能源供應與散熱方面，三艙能源并網后統一管理，兩個實驗艙將承擔平臺和載荷的大部分用電。到時候，兩個實驗艙可以跨艙進行能源調配，并通過熱控散熱回路連通，實施與能源供應匹配的散熱能力調配。
打個比方，如果夢天艙載荷啟動較多，僅靠本艙發電，可能缺電1千瓦，那時就可以從問天艙調配1千瓦電進入供電網；同時，夢天艙可以將自己多產生的熱量傳輸到問天艙，通過問天艙的輻射器安全排散。這樣，通過能源供應和散熱管理，可以高效用電，使用載荷也更靈活，實時動態可調。
在載人環境方面，夢天艙為航天員增加了約30立方米的艙內工作空間。而且，三艙組合體密封空間連通，形成完整的空氣循環，空氣壓力、成分及溫濕度都能得到統一控制，并隨著空氣流動均勻化，讓航天員在各艙段內都處于適宜的環境中。
在機械臂應用方面，夢天艙外壁同時配置了大小機械臂的“腳印”，空間站的大小機械臂都可以在夢天艙外“爬行”和工作，協助航天員出艙，照料艙外載荷。所有機械臂“腳印”均有供電和信息接口，其控制總線是整體信息系統的一部分，三艙互聯互通。屆時，航天員通過天和核心艙的操作臺就可以操控機械臂在夢天艙外運行。
上述各方面的設計和設備配置，讓夢天艙在既能適應單艙獨立飛行，又能保證空間站組合體長期運行。
夢天艙之所以能與其他艙段完美兼容，是系統設計的結果。夢天艙的制導與導航控制計算機、信息管理計算機、測控設備、電源設備等都是三艙通用產品，通過配備個性化軟件，完成在夢天艙的具體任務。這些產品、特別是硬件，在空間站系統級設計時統一研制規劃，統籌開展試驗和鑒定，提高了研制效率和驗證充分性。三艙分布式配置保證了關鍵設備都有適當冗余，并網集成又使得系統對設備的使用可以按需調配和重構。
典型例子是控制系統的敏感器。萬一個別設備遭遇故障，或某個設備因姿態等原因遭遮擋而無法工作，控制系統就可以“切除”故障設備，并引入備份，確保了系統的可靠性和系統工作的連續性。
其實，系統集成與重構也是可逆的。在極端情況下，假如整個夢天艙發生故障，它與空間站組合體的聯系可以被暫時切斷。用算式比喻，三艙以“（1+1）+1”的模式運行，等排除故障后，再恢復“（1+1+1）”運行。
“個性”鮮明優勢獨特
夢天實驗艙的主要任務包括：在軌完成與天和核心艙交會對接、艙段轉位和停泊；為航天員在密封艙內工作提供更好的保障條件，保證航天員安全；為開展艙內及艙外空間實（試）驗提供保障條件；提供貨物氣閘，實現載荷與設備自動進出艙等。通過精心設計，夢天實驗艙具備一些獨特優勢。
優勢之一，三艙中載荷支持能力最強。
夢天實驗艙包括工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙，軸向長度為17.9米，艙體結構最大直徑4.2米。載荷艙外設置了展開式載荷試驗平臺，需發射后在軌展開。
在艙內載荷方面，相比天和核心艙的4個、問天艙的8個機柜空間，夢天艙提供了13個機柜空間。除若干機柜隨艙發射外，夢天艙還有在軌繼續配置載荷的能力。
在艙外載荷方面，為提高保障能力，夢天艙創新設計了獨特的主結構形式。載荷艙是“套”在氣閘艙外的大直徑非密封艙，并在對天、對地方向都配置了可展開的暴露平臺。
這種設計的優點主要有4個方面。
第一，有利于結構承載。貨物氣閘艙與密封艙部分連接，但使用需求決定了它的尺寸并不大，難以直接作為連接資源艙的過渡結構，所以載荷艙承擔了工作艙與資源艙之間的連接。暴露平臺在發射時是關閉狀態，使得整個載荷艙形成一個封閉的大直徑圓柱殼體結構，有利于保持良好的整艙剛度和局部強度，以承受發射階段的載荷條件。
第二，有助于保護貨物氣閘艙和部分設備。載荷艙將貨物氣閘艙整體包圍，并在夾層內部安裝了艙外流體回路等設備，可以充當貨物氣閘艙和這些設備的防護層。
第三，擴大了載荷適配器安裝面積。夢天艙在空間站上轉位到位后，暴露平臺打開，不僅露出了氣閘艙的出艙口，而且平臺內表面翻開朝外，擴大了艙體表面，配置了更多標準載荷適配器，載荷獲得了更大的安裝空間。
第四，使載荷適配器位于最佳朝向。暴露平臺展開后，形成了與圓柱形艙體相切的平面，使得大部分適配器形成了正對天或正對地的朝向。多數艙外載荷因試驗目的而有安裝朝向要求，對天與對地是需求最多的方向。
優勢之二，更高效地保障大型載荷出艙。
夢天艙貨物氣閘艙與天和核心艙節點艙、問天艙氣閘艙相比，未配備人員出艙所需的保障設備，而是作為載荷和貨物的專用設施進行配置和應用，其突出強項是自動化水平高，更適應大尺寸載荷進出艙。
為實現載荷進出艙全自動化，夢天艙貨物氣閘艙的出艙艙門為電動自動開關，不需要航天員現場操作。艙內配置了自動轉移機構，可以將固定好的貨物、載荷送出艙外或收回氣閘艙內。
簡單來說，載荷出艙流程為：航天員在艙內將載荷設置好，安裝在自動轉移機構上；航天員撤離貨物氣閘艙，回到工作艙并關門；貨物氣閘艙泄壓；出艙艙門打開，轉移機構將載荷送出艙；機械臂抓住并帶走載荷；轉移機構撤回艙內；出艙艙門關閉，貨物氣閘艙復壓；航天員進入艙內正常工作。
相應地，載荷進艙流程包括：航天員撤離貨物氣閘艙，回到工作艙并關門；貨物氣閘艙泄壓；出艙艙門打開，轉移機構伸出艙外；機械臂將載荷放置在轉移機構的適配器上；轉移機構將載荷收回艙內；關閉出艙門，貨物氣閘艙復壓；航天員進入艙內操作。
值得注意的是，上述過程中，不再需要航天員穿著艙外服接送載荷，極大地降低了安全風險，也延長了航天服使用壽命。未來航天員出艙活動將更加專注于必要的艙外裝配、維修等工作。
此外，夢天艙貨物氣閘艙的出艙艙門及連通工作艙的艙門均采用了大尺寸的方形艙門。在轉移機構和機械臂配合下，航天員不便搬運的載荷可以被迅速送出艙外或接回艙內。這對于未來大型艙外設施維修維護等保障工作是非常有利的。
優勢之三，“艙內外過渡”應用拓展。
載人航天活動的重要目的之一是發揮人在現場的作用，既包括航天員處置問題時的主觀能動性，也包括充分發揮人工操作技巧。然而，航天員在艙內與艙外的工作能力、尤其是精細操作能力，有天壤之別。艙外活動時，受艙外服和手套等限制，航天員的觀察、操作空間及工具使用能力等均受到極大限制，即便使用專門設計的專用工具，也遠遠無法達到艙內作業的精準水平。相比之下，只要工具合適，地面能進行的工作都可以由航天員艙內在軌完成。
自動化貨物氣閘艙正好提供了一個“艙內外過渡”的工作間。大型載荷部件在此進行裝配和測試后，可以整體送出艙外。艙外載荷也可以先搬到這里，艙室經復壓后，由航天員在艙內操作完成拆解、維修、維護等工作。
更進一步，這個工作間具備了現場裝配微小衛星并釋放的潛力。
綜合來看，夢天艙補充并增強了空間站的綜合能力，提高了系統可靠性。其“個性化”能力則進一步強化了空間站的“太空母港”作用，對于載荷的保障能力更強，也將拓展有人參與的航天飛行與在軌工作模式。
未來，我國獨立掌握了近地空間長期載人飛行技術，具備了長期開展近地空間有人參與的科學實驗和技術試驗的能力，將有望綜合開發利用太空資源，為人類和平利用太空作出開拓性貢獻。
