2022年10月31日15時(shí)37分，中國空間站第三大艙段——夢天實(shí)驗(yàn)艙搭乘長征五號 B 遙四運(yùn)載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射，并準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。11月1日4時(shí)27分，成功對接于天和核心艙前向端口。三艙組合體，以偏 T 字構(gòu)型在近地軌道在軌飛行。11月3日9時(shí)32分，空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙順利完成轉(zhuǎn)位，中國空間站終于迎來三艙“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成的重大時(shí)刻！從“一”到“L”，再到“T”，這是中國空間站的“太空變形記”，也是一代代中國航天人接續(xù)奮進(jìn)的印記。未來還可能在機(jī)械臂的輔助下進(jìn)行擴(kuò)展艙段的組裝，進(jìn)而形成“十”字、“干”字形等擴(kuò)展構(gòu)型。

“T”字構(gòu)型有三大好處

“中國空間站‘T字基本構(gòu)型各艙段平展布局極大的提升了對應(yīng)用載荷的支持能力”，中國航天科技集團(tuán)八院夢天實(shí)驗(yàn)艙總體主任設(shè)計(jì)師吳軍表示，“T”字構(gòu)型使得中國空間站穩(wěn)穩(wěn)的飛行在太空，宛如給中國夢插上了翅膀，極好地詮釋了中國特色和時(shí)代特征。這一構(gòu)型方案契合國情，特色鮮明，“這就是中國空間站該有的模樣。”吳軍稱。

通常而言，為了使航天器易于運(yùn)動控制，其構(gòu)型要保證主結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布盡量對稱、緊湊，確保航天器的質(zhì)心居中，從而減少因姿態(tài)控制所消耗的能量。曾經(jīng)，俄羅斯的和平號空間站就因?qū)恿硕鄠€(gè)實(shí)驗(yàn)艙后出現(xiàn)不對稱的情況，使得質(zhì)心不居中，導(dǎo)致和平號為了控制姿態(tài)消耗了較多能量。而中國空間站的三個(gè)艙采用水平對稱、“T”字構(gòu)型，這樣有三大好處，首先是能夠保證質(zhì)心居中，節(jié)省姿態(tài)控制所需要的能量，其次是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙分別位于“T”字一橫的端頭，因此在正常泄壓或異常隔離時(shí)，均不會影響其他密封艙段構(gòu)成連貫空間，從而能夠保證它的安全性。最后是“T”字構(gòu)型能使裝在兩個(gè)尺寸、質(zhì)量、大小一致的實(shí)驗(yàn)艙末端的大型太陽能電池翼不管空間站以何種姿態(tài)飛行，都能夠照上太陽。

據(jù)了解，隨著中國空間站更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的開展，空間站載荷供電需求也成倍增加。因此中國航天科技集團(tuán)八院共為中國空間站配備了2種規(guī)格6套大型柔性太陽翼，其中問天和夢天兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的末端各配備了2套plus版大型柔性太陽電池翼，單套太陽翼展開面積達(dá)到138平方米，單個(gè)功率高達(dá)18千瓦，兩艙的4個(gè)太陽電池翼讓空間站日發(fā)電量可達(dá)近1000千瓦時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)普通家庭近半年的用電量，為中國空間站三艙組合體提供80%的能量，在滿足艙內(nèi)搭載的天文、地理、生物、醫(yī)學(xué)等各類科學(xué)儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，也完全可以保證航天員在空間站中的日常生活。

“只有當(dāng)中國空間站三艙組合完畢，并且形成‘T字構(gòu)型，我們才能說實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)”，中國航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師柏林厚稱，中國空間站的三個(gè)主體艙段只有實(shí)現(xiàn)了“T”字基本構(gòu)型，空間站上的供電，信息和熱控等系統(tǒng)才能進(jìn)入最佳工作狀態(tài)，從而為開展較大規(guī)模的空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)提供保障，因此，三艙形成“T”字基本構(gòu)型對完成空間站全面建造具有標(biāo)志性意義。

夢天實(shí)驗(yàn)艙背后的“硬科技”

夢天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)安裝有空間科學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域的超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜、高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜等7個(gè)方面的8個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。其中，高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜是空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜。高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過艙內(nèi)不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運(yùn)行的精度最高的空間時(shí)間頻率系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)生的高精度時(shí)間頻率信號，利用安置于艙外的微波和激光時(shí)間頻率傳遞載荷向地面和空間一定范圍傳遞高精度時(shí)間頻率信號。

作為空間站科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺之一，高精度時(shí)頻系統(tǒng)研制目標(biāo)是為相關(guān)精密測量物理提供研究平臺，為相關(guān)工程技術(shù)應(yīng)用提供高精度時(shí)頻信號。

此外，中國空間站上搭載的天文、地理、生物、醫(yī)學(xué)等各類科學(xué)儀器將陸續(xù)工作，航天員的日常生活也離不開能源，傳統(tǒng)的剛性、半剛性太陽電池翼因其體積、重量、功率等因素限制無法滿足需求，而柔性翼體積小、展開面積大、功率重量比高，收攏后厚度只有18厘米，與一部手機(jī)長度相當(dāng)，僅為剛性太陽翼的八分之一。

夢天艙是如何轉(zhuǎn)位的

為什么不能在實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射后，通過側(cè)向交會對接，直接到天和核心艙的兩側(cè)呢？中國航天科技集團(tuán)五院專家介紹說，有兩方面原因：一是實(shí)驗(yàn)艙與空間站組合體進(jìn)行側(cè)向?qū)?，會因?yàn)橘|(zhì)心偏差對空間站姿態(tài)造成較大影響，甚至可能會有滾轉(zhuǎn)失控的風(fēng)險(xiǎn)；二是根據(jù)空間站建造方案，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙將在天和核心艙的側(cè)向永久停泊，如果選擇側(cè)向交會對接，首先需要在天和核心艙兩個(gè)側(cè)向端口分別配置一套交會對接設(shè)備，并且這兩套設(shè)備只能使用一次，造成資源的浪費(fèi)。由此可見，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙先與核心艙進(jìn)行前向交會對接，再通過轉(zhuǎn)位移至核心艙側(cè)向停泊口的方案設(shè)計(jì)是最優(yōu)的。

不過，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙在轉(zhuǎn)位任務(wù)安排上有些差異。問天實(shí)驗(yàn)艙在經(jīng)過發(fā)射和交會對接后，開展了航天員出艙等一系列任務(wù)，而后開展轉(zhuǎn)位。與問天實(shí)驗(yàn)艙不同，夢天實(shí)驗(yàn)艙在發(fā)射、交會對接后直接轉(zhuǎn)位，待形成“T”字構(gòu)型組合體后，再開展在軌測試、航天員駐留等任務(wù)。

為確保夢天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位任務(wù)順利實(shí)施，中國航天科技集團(tuán)五院研制團(tuán)隊(duì)精心安排、周密部署，制定了轉(zhuǎn)位方案。轉(zhuǎn)位過程中，測控與通信分系統(tǒng)在天地間搭建起暢通的通信鏈路，傳輸高清圖像，使得整個(gè)轉(zhuǎn)位過程100%受控；機(jī)械臂分系統(tǒng)始終作為轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的備份手段，保障平臺安全；各分系統(tǒng)的高效配合，使得此次任務(wù)僅用約1小時(shí)就圓滿完成。

“夢天”比“問天”難在哪兒

“夢天實(shí)驗(yàn)艙與3個(gè)月前發(fā)射的問天實(shí)驗(yàn)艙個(gè)頭差不多，但是交會對接過程卻是難上加難?！焙教炜萍技瘓F(tuán)五院502所空間站實(shí)驗(yàn)艙主任設(shè)計(jì)師宋明超介紹，成功駕馭“夢·天之吻”的幕后神兵，正是由該所研制的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)。

“夢·天之吻”的第一個(gè)難關(guān)是此次交會對接任務(wù)最大的危險(xiǎn)點(diǎn)：夢天實(shí)驗(yàn)艙入軌后與太陽夾角較大，太陽翼發(fā)電能力有限，能源緊缺，如果不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成交會對接，就需要中斷自主交會對接過程，緊急調(diào)整夢天實(shí)驗(yàn)艙姿態(tài)，讓它連續(xù)對日定向以保證能源供應(yīng)。

為此，技術(shù)人員為夢天實(shí)驗(yàn)艙特別定制了交會對接任務(wù)故障預(yù)案，將各種可能發(fā)生的故障充分體現(xiàn)在“故障樹”上，通過開展大量的預(yù)演預(yù)判和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，確保故障止于預(yù)想、不留缺憾。

“夢·天之吻”的第二個(gè)難關(guān)是“問·天”交會對接時(shí)組合體只有天和核心艙的對稱構(gòu)型，而“夢·天”交會對接時(shí)組合體是“L”形的非對稱構(gòu)型，這就顯著增加了空間站在軌姿態(tài)控制的難度?！耙皇恰甃構(gòu)型的組合體質(zhì)心發(fā)生較大的橫向偏移，增加了軌道控制和姿態(tài)控制之間的關(guān)聯(lián)，組合體自身控制難度加大；二是夢天實(shí)驗(yàn)艙在接近組合體時(shí)需要開啟反推發(fā)動機(jī)減速，發(fā)動機(jī)的羽流會干擾組合體的姿態(tài)，讓‘夢·天之吻變得更難。”宋明超進(jìn)一步解釋。

在技術(shù)人員的精心指導(dǎo)下，夢天實(shí)驗(yàn)艙GNC系統(tǒng)精準(zhǔn)識別了實(shí)驗(yàn)艙和組合體的相對距離及相對姿態(tài)，逐步接近并最終實(shí)現(xiàn)高精度的交會對接。

（綜合人民日報(bào)客戶端、新華社訊、《光明日報(bào)》等）