“问天”实验舱发射成功：一文详解空间站建设概况
本文来自微信公众号：腾讯太空（ID：qqtaikong），作者：乔辉，头图来自：视觉中国（图为2022年7月24日14时22分，搭载“问天”实验舱的长征五号B遥三运载火箭，在中国文昌航天发射场准时点火发射，约495秒后，“问天”实验舱与火箭成功分离并进入预定轨道，发射取得圆满成功。 中新社记者侯宇 摄）
2022年7月24日14时22分左右，我国“长征五号B”运载火箭在海南文昌发射场发射升空，并取得圆满成功。
本次搭载的是中国空间站的重要组成部分：“问天”实验舱。“问天”实验舱与“天和”核心舱对接后，中国空间站整体呈现“一”字构型组合体。
长征五号B运载火箭是在长征五号火箭的基础上进行改变研制的运载火箭，是中国空间站建设的主力火箭。长征五号B是火箭中的“大力士”，全箭高53.7米，起飞重量837吨，近地轨道运载能力可达25吨。
一、太空中的生物实验室
图注：“问天”实验舱在轨道“展翅”飞行（艺术图）。
“问天”实验舱由工作舱、气闸舱和资源舱三舱组成，是当今世界长度最长，直径最大的单体载人航天器。整体轴向总长17.9米，最大直径4.2米。“问天”实验舱与“天和”核心舱一样也设置了3个睡眠区、1个卫生区和厨房等设施。
扩容后的空间站能够支持6名航天员同时在轨工作和生活。当然，作为实验舱，“问天”实验舱的作用主要是作为“太空实验室”使用，内部安装有25台实验柜，可进行多种学科的实验。
据介绍，“问天”实验舱主要面向空间生命科学研究。配置有生命生态、生物技术和变重力科学等实验柜，能够支持开展多种类植物、动物、微生物等在空间条件下的生长、发育、遗传、衰老等响应机理研究，还能提供0.01g~2g的变重力模拟，支持开展不同重力条件下生物体生长机理的对比研究。
二、“问天”实验舱基本参数一览
长度：17.9米；
最大直径：4.2米；
生活空间：50立方米；
配置：3个睡眠区、1个全功能区；
舱内温度：24摄氏度；
舱内湿度：40%；
实验柜数量：8个。
三、身手不凡：灵活轻巧的“大小机械臂”
在此前的航天任务中，“天和”核心舱上安装的大机械臂可谓“明星”般的存在，其肩部设置了三个关节、肘部设置了一个关节、腕部设置了三个关节，一共七个关节。每个关节对应一个自由度，就如同人的手臂一般，具有七自由度的活动能力。大机械臂能够在空间站表面攀爬，并实现舱外状态监视。
在此前的一次新闻发布会上，专家表示，“问天”实验舱安装有小机械臂。小机械臂主要有以下几个特点：
更加精巧，小机械臂的重量和长度均约为大臂的一半，负载能力约为大臂的1/8，相应的目标适配器也更加轻巧，小臂的运动和操控灵活。
更加精准，小臂的末端定位精度更高，位置精度优于大臂的五倍，姿态精度优于大臂的两倍，能够完成精度要求更高的精细操作。
可与大臂级联工作，也就是小机械臂可被大机械臂抓取形成组合机械臂，舱外作业覆盖范围更广，通过大范围转移满足去往不同位置进行精细作业的需求，可以实现天宫空间站外表面的全触达。
四、百变中国空间站：“一”、“L”、“T”
首先，“问天”实验舱对接在“天和”核心舱的前向对接口，空间站整体呈现“一”字构型。
梦天实验舱发射前1个月，“问天”实验舱由前向对接口转位到侧向对接口，那时空间站整体呈现“L”形构型。梦天实验舱对接“天和”核心舱前向对接口后，后续再转到另一个侧向对接口，那时空间站整体又呈现“T”形构型。
图注：中国空间站“三舱”组合体T字构型。
五、“问天”实验舱和“梦天”实验舱有什么区别？
我们知道，中国空间站建设，后续还会发射梦天实验舱。“问天”和“梦天”都是实验舱，二者有什么分工上的区别？根据上面我们对“问天”实验舱的简介，“问天”实验舱可看作“生物实验室”，执行生命科学实验。
“梦天”实验舱主要做物理和材料科学实验，可看作“物理实验室”，支持开展重力掩盖下的多相流与相变传热、基础燃烧过程等物质本质规律研究以及超冷原子物理等前沿实验研究。同时，将建立世界上第一套由氢钟、铷钟、光钟组成的空间冷原子钟组，构成在太空中频率稳定度和准确度最高的时间频率系统，开展引力红移、精细结构常数测量等前沿的科学研究。
六、长征五号火箭两兄弟：长五和长五B
长征五号B运载火箭是在长征五号火箭的基础上，进行改变研制的运载火箭，为我国载人空间站的建设奠定基础。长征五号B全箭高度53.7米，起飞重量837吨，近地轨道运载能力25吨。
图注：长征五号和长征五号B比较，可见长五B少了二级火箭（示意图）。
这次发射的长征五号B省去了芯二级，因此高度比长征五号要矮，显得更加胖了。长征五号B的发射任务主要是在近地轨道，因此不需要二级火箭，只用一级火箭和四个助推器就能完成任务。
长征五号B的每个助推器上都有两台火箭发动机，芯级火箭也是两台发动机，从底部看，共10台发动机。
长征五号B和长征五号一样，都是采用无毒无污染的液氧、液氢和煤油作为推进剂。具体来说，芯一级采用的是液氧和液氢作为推进剂，四个助推器均采用液氧和煤油作为推进剂。
我们知道，液氧的沸点是零下183摄氏度，而液氢的沸点更是惊人的零下253摄氏度，仅高于绝对零度20度（绝对温度为零下273摄氏度），是名副其实的“冰箭”。
处于低温状态的液氢和液氧像是难以驯服的怪兽，大型低温火箭的研发难度是非常高的。当然，氢氧火箭的优点也是非常明显的，那就是比冲非常高，能够用更少的火箭燃料把更多的载荷送入太空，无论燃料本身，还是燃烧生成的水蒸气，都是完全绿色无污染的。
7月23日，文昌发射场已经给长征五号B进行了煤油的加注，这是因为煤油是常温燃料，可以提前加注。鉴于液氢和液氧的低温性质，7月24日上午，发射前夕才开始加注液氧和液氢。通过发射场面能看到阵阵白雾从箭体上冒出，那其实是空气中的水蒸气遇到低温产生的水雾，就像雪糕表面冒出的白雾道理类似。
七、长征五号和长征五号B各司其职
长征五号主要是用于发射大质量的深空探测器，能够把14吨的载荷送到地球同步转移轨道。此前，执行过我国的“嫦娥五号”月球探测器和“天问一号”火星探测器的发射任务。
长征五号B则是运送大质量航天器到地球近地轨道，近地轨道的运载能力达25吨，2021年执行过“天和”核心舱的发射任务。
八、“问天”和“天问”分不清？
关心太空的朋友都知道，我国在2020年7月23日发射了“天问一号”火星探测器，“天问一号”探测器由轨道器和火星车组成，目前工作状态良好，时不时发回关于火星的重大发现。7月23日，“天问一号”轨道器还传回了拍摄的火星一（火星卫星）的高清照片。
图注：天问一号传回的“火卫一”的高清照片。（来自：央视）
“天问”是我国系列深空项目的总称，除了“天问一号”，后续还有“天问二号”、“天问三号”和“天问四号“。
因此，我们要记住“问天”是中国空间站实验舱的名称，“天问”是我国深空探测项目总称。
九、中国空间站建设还有三次重大发射
“问天”发射后，中国空间站建设已经进行了8次重大发射。今年年底，中国空间站基本建成还有3次发射，它们分别是：梦天实验舱发射、天舟五号发射和神舟十五号发射。
其中梦天实验舱和天舟五号还是在海南文昌发射场发射，神舟十五号在酒泉文星发射中心发射。有兴趣的朋友，安排好时间，不要错过观看现场发射的机会。
本文来自微信公众号：腾讯太空（ID：qqtaikong），作者：乔辉
