天和核心艙內部配置(天和核心艙內部空間)

隨著問天實驗艙/長征5B遙三運載火箭組合體發射時間的日益臨近，越來越多的實物照片得以公開，我們也可以從這些畫面中感知問天實驗艙的強大能力。

問天實驗艙/長征5B遙三運載火箭組合體

天宮空間站采用基于同一平面原則設計的三艙構型，分別是，核心艙、實驗艙Ⅰ、實驗艙Ⅱ，早在八年多前實驗艙Ⅰ就已經定名為“問天”。

問天實驗艙全長17.9米，是當今世界長度最長的載人航天器，超過了國際空間站的任意艙段，工作艙最大直徑4.2米，發射重量約23噸。正所謂好馬配好鞍，長征5B運載火箭為匹配問天實驗艙準備了長度約21米的超長整流罩。

問天號實驗艙Ⅰ

話說，為什么問天實驗艙要這么長呢？這個世界沒有無緣無故的愛，當然也不會有無緣無故的設計，這是基于使命任務選擇的設計方案。

天宮空間站設計在軌規模近百噸級，雖然已經屬于大型載人空間站，但是相較于四百噸級的國際空間站仍然小很多，當然了這里的小只是肉眼可見的小，實際上我們很“大”，這個“大”就體現在豐富多樣的應用功能，以及強大的在軌支持能力。

問天實驗艙Ⅰ

問天實驗艙由工作艙、氣閘艙、資源艙三部分組成：

工作艙有8個科學實驗柜安裝機位，隨艙上行部署4臺科學實驗柜，分別是，生命生態實驗柜、生物技術實驗柜、科學手套箱與低溫存儲柜、變重力科學實驗柜，其余4個應該是非中科院標準的航天基礎試驗機柜，以及預留的空置實驗柜。

問天實驗艙的大柱段便是“工作艙”

除了完備的在軌科研設施，工作艙還配置有3個備份永久睡眠區與1個衛生區，屆時，天宮空間站永久睡眠區的數量將升級至6個。與國際空間站相比，他們在軌輪換時航天員只能臨時睡在睡袋里，此前他們也有部署單獨的睡眠艙計劃，但是因資金問題擱淺，所以究竟誰才是以人為本，這是一目了然的。

在官方公布的問天艙開箱畫面中可以看到，備份永久睡眠區在工作艙末端（紅框），與氣閘艙接壤處。與天和核心艙小柱段的橫置睡眠區不同，受限于安裝空間，它是“豎著的”。

問天艙工作艙睡眠區（紅框）與舷窗（藍框）

備份睡眠區盡可能遠離了工作艙的科學實驗柜以及其他平臺設備，噪音水平相對較低。備份睡眠區主要有兩個用途，一是用于兩批航天員在軌輪換任務，二是在應急情況下使用。

雖然是備份睡眠區，但是品質也很講究，與天和核心艙睡眠區一樣也配置有“觀景舷窗”（藍框）。

觀景舷窗不僅僅是為了欣賞太空美景，該產品的主要用途是目視觀察艙外狀態，比如神舟飛船對接時，空間站內的航天員就可以通過舷窗直接判斷飛船的姿態狀態。的確，現在艙外攝像機的清晰度已經很高，但是就可靠性而言，仍然無法取代舷窗的作用。

國際空間站航天員透過舷窗拍攝的載人龍飛船

以前不少航天迷很羨慕國際空間站總能拍出震撼的太空大片，尤其是飛船對接畫面的視覺沖擊力的印象最為深刻，以后我們就不用羨慕了，因為航天員可以透過橫置布局實驗艙的舷窗拍攝來訪飛船，未來會有越來越多以中國航天器為拍攝對象的太空大片誕生。

拍攝這類照片需要滿足兩個條件，首先是空間站內需要有人，再就是要有合適的機位。今年，神舟十五號載人飛船任務時我們就可以滿足這兩項條件。

天和艙外高清攝像機拍攝的神舟十二號，以后此類照片的視覺沖擊力將更高。

與工作艙對接的是天宮空間站的第二個人員氣閘艙，不同于節點氣閘艙，它不需要容納多個方向的對接裝置，同時自身處于整艙上部偏下位置，在火箭整流罩內可用包絡尺寸相較于節點艙更大，因此問天艙氣閘艙艙內空間更大。

問天艙“人員氣閘艙”吊裝

問天艙氣閘艙到位后將成為天宮空間站航天員出艙的第一選擇，節點艙的航天員出艙功能將轉為“備份”，目前正在軌執行任務的神舟十四號飛行乘組就將通過問天氣閘艙實施太空出艙任務。

人員氣閘艙與工作艙對接

問天氣閘艙相較于節點氣閘艙有很多優勢，不僅內部空間更大，出艙口也更大，便于出艙航天員穿脫艙外航天服，以及進出艙，同時出艙口位于第一象限朝向地球一側，能夠盡可能避免太陽光直射干擾，此問題在節點艙執行出艙任務時比較突出，因為它的出艙口在第三象限朝向天頂一側。

問天艙氣閘艙出艙口將朝向地球一側

節點艙出艙口在天頂一側，受太陽光直射干擾問題突出。

問天氣閘艙艙外第二象限配置有天宮空間站的第二套七自由度空間機械臂，展開長度約5米，承載力3噸，雖然對比天和機械臂在展開長度與承載力要弱的多，但是它有著相較于天和臂更高的控制精度，可以直接夾持小型實驗載荷，實現對艙外設備的照料，也能承載艙外航天員進行艙外轉移。

問天實驗艙機械臂

問天機械臂的作用遠不止紙面數據這么簡單，它還可以與天和機械臂對接進行級聯組合，進而形成長度達15米的超長機械臂，超長機械臂可以直接搬運半密封或全開放天舟貨船的貨物，直接進行跨艙轉移。

雙臂級聯組合效果圖

再結合夢天實驗艙的貨物氣閘艙，還可以在軌部署小型衛星，并能夠實現艙內外設備的自動轉移，無需航天員出艙即可實現。實在是載人空間站高效運營不可多得的得力助手。

氣閘艙艙外還有24個用于暴露實驗或安裝其他設備的載荷掛點，工作艙艙外第四象限還有用于安裝大型暴露實驗擴展平臺的安裝掛點，可進一步提升艙外實驗能力。

大型擴展平臺安裝掛點

大型擴展平臺安裝效果圖（配圖為六艙大構型）

與問天氣閘艙另一端對接的是“資源艙”，該艙段貯箱加注了約1.55噸推進劑，配置有完善的姿軌控動力，超長翼展太陽翼也在此安裝，畫面中還可以看到用于航天員艙外活動的扶手。該艙段是問天實驗艙承擔備份核心艙職能的重要依托。

資源艙

從外觀來看，問天實驗艙還有一個亮點，那就是貼附在資源艙表面的超大型柔性太陽翼，該太陽翼展開翼展超55米（包括太陽翼連接驅動機構），幾乎相當于兩架波音737客機的翼展之和，單側太陽翼全長23米，寬度相當于雙車道寬度。

實驗艙太陽翼完全展開效果圖

太陽翼配置高光電轉換效率的柔性三結砷化鎵電池，供電能力7.3kW以上，一天發電量可供普通三口之家使用一個半月。太陽翼采用二次展開方案，初次展開長度約6.5米，與天和核心艙前向對接后再二次完全展開，推測目的是避免對接過程中產生的振動對超長翼展太陽翼造成不利影響。

航天器設計通常都是牽一發而動全身，正是因為大型柔性太陽翼的成功研制，問天實驗艙、天宮空間站才能有如此優異的構型。比如俄目前正在研制的軌道服務站，由于沒有應用柔性太陽翼，剛性太陽翼占據了大部分的空間，以致于艙內空間捉襟見肘，沒有空間就無法整合更多的功能。

俄軌道服務站艙段配置剛性太陽翼

天和核心艙因為柔性太陽翼的應用，有了大柱段+小柱段+節點艙的布局，問天實驗艙因為柔性太陽翼的應用，使得資源艙部分的設計最小化，這才有了人員專用氣閘艙的設計空間。

問天艙柔性太陽翼收攏起來占用空間極小

天宮空間站的一個重大創新就是“三艙核心組合體”，實現了能源管理系統、信息管理系統、控制系統、載人環境系統、熱控流體回路系統的高效融合，達成了1+1+1等于1的設計目標，不論艙段如何增加，它們都是渾然一體，是相互融合相互支持的關系。

比如前文所述的節點氣閘艙備份功能，它不僅能在出艙任務實施前備份，還能在出艙任務進行中備份，艙外航天員若遇問天氣閘艙故障情況，可經由節點氣閘艙回艙，這一關鍵功能即便是國際空間站也不具備。

異艙回站

問天實驗艙在三艙核心組合體中發揮了備份核心艙的作用，姿軌控動力系統、平臺控制系統、再生生保系統均可實現對天和核心艙的備份，可在應急情況下發揮備份作用。

如此優異的問天實驗艙怎么實現與天和核心艙的在軌組裝任務呢？工作艙前端面的轉位機械臂是關鍵。

問天實驗艙由長征5B遙三火箭發射入軌后，將在北斗衛星導航系統的幫助下與節點艙前向端口對接，此后將于夢天實驗艙發射前一個月擇機進行在軌轉位任務，也就是今年9月。

問天實驗艙將采用快速交會對接方案

轉位任務是由前向對接口轉移至節點艙第四象限側向停泊口永久對接，問天實驗艙將通過轉位機械臂進行在軌轉位，這是首選主份方案。若轉位機械臂失效則啟動備份方案，由天和機械臂實施轉位，此備份方案已于天舟二號任務階段進行過在軌驗證。

天和機械臂捕獲天舟二號轉位試驗

主份方案中的轉位機械臂由肩關節連桿、肩關節驅動機構、連接臂、腕關節驅動機構、腕關節、捕獲連接機構組成，轉位任務進行時，轉位機械臂與節點艙機械臂適配器對接，進而轉動帶動實驗艙轉位，相較于天和機械臂轉位方案有著更高的控制精度、高可靠性、結構簡單優勢。

轉位機械臂

用于轉位機械臂對接的“節點艙機械臂適配器”

基于轉位機械臂的實驗艙轉位任務效果圖

之所以準備兩套方案于轉位任務，實在是因為這項任務是定勝負的，只有轉位成功，后續的夢天實驗艙才能發射，空間站運營階段任務才能隨之開啟，天宮空間站才能真正宣告成功。

過幾個月就能看到的天宮空間站的完整構型

再補充一點，問天實驗艙與夢天實驗艙的長度皆為17.9米，兩艙對置布局于節點艙兩個側向停泊口，由此形成了近四十米的大跨度（加上節點艙直徑），起到了類似國際空間站桁架的作用，兩側太陽翼盡可能避免了相互遮擋，提高了受曬率與發供電能力。

天宮空間站關鍵技術驗證階段、在軌建造階段、運營階段，三大階段各次任務環環相扣，是一仗接著一仗打，任務是艱巨的，但是任務成功之后的收獲也將是巨大的，作為全球現役唯一由一國承建的大型載人空間站一旦建成，將帶來一系列的戰略紅利。

最后，我們祝福航天人，祝福問天實驗艙一飛沖天馬到成功。