今天下午，“梦天实验舱”搭载长征五号B运载火箭，从海南文昌航天发射场发射。梦天实验舱与空间站交会对接后，中国空间站的三个舱段——天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱均已发射对接成功，中国“天上宫阙”的在轨建造顺利如期完成，中国载人航天工程“三步走”发展战略圆满实现。 中国空间站建成后，工程将转入为期十年以上的应用与发展阶段。初步计划是每年发射两艘载人飞船和两艘货运飞船，航天员要长期驻留，开展空间科学实验和技术实验，并对空间站进行照料和维护。作为我国航天史上规模最大、长期有人照料的空间实验平台，建成后的中国空间站将成为国家级太空实验室。未来，将在此展开上千项科学实验，全面开启我国空间科学研究与应用的新时代。梦天实验舱和它的孪生兄弟问天有什么区别，行使怎样的功能？为了迎接梦天实验舱的到来，各方又做了什么样的准备和努力？中国空间站终建成将发挥哪些作用？以下，Enjoy:来源 / 中国载人航天、新华社、环球网、央视新闻、中国科普博览、科技日报、中科院物理所等
“梦天”一名，源于唐朝诗人李贺的诗作《梦天》。诗人梦游月宫，下望人间，写下了这首充满中国式浪漫主义色彩的诗篇：“老兔寒蟾泣天色，云楼半开壁斜白。玉轮轧露湿团光，鸾珮相逢桂香陌。黄尘清水三山下，更变千年如走马。遥望齐州九点烟，一泓海水杯中泻。”经过几代中国航天人的不懈努力，探索太空早已从梦境变成了现实。而梦天实验舱的发射对接成功，更是标志着我国探索太空新时代的到来。那么梦天实验舱作为中国空间站的重要部分，承担了哪些特别的功能？有哪些学科实验得以开展呢？梦天实验舱主要用于开展空间科学与应用实验。问天实验舱主要用于执行生命科学实验，可以被看作“生物实验室”。而梦天实验舱则更像一个“物理实验室”。
梦天实验舱主要面向微重力科学研究，配置了流体物理、材料科学等多学科方向的实验柜，包括：流体物理实验柜、两相系统实验柜、燃烧科学实验柜、高温材料实验柜、超冷原子实验柜、高精度时频实验柜主柜、高精度时频实验柜副柜以及在轨维修装调实验柜等实验柜。支持开展重力掩盖下的材料凝固机理等物质本质规律研究以及超冷原子物理等前沿实验研究。
在太空实验当然是看重天空特有的实验条件。在地表，重力环境下，生命体和物质受到重力作用，物质的某些本质规律可能被重力作用掩盖，因此在微重力或无重力环境下，或许会有一些意想不到的结果。这些研究成果将帮助我们在地面上的相关学科研究提升效率和质量。![]()
梦天实验舱实验柜示意图 图源：中国载人航天同时，在天宫二号空间冷原子钟的基础上，梦天实验舱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，如果成功，这将成为太空中最精准的时间频率系统，数亿年误差小于1秒。并且还将开展引力红移、精细结构常数测量等前沿的科学研究，推动时间频率的导航与大地测量等应用。此外，梦天舱外还安排了材料舱外暴露实验装置和元器件与组件舱外通用试验装置，用于开展舱外实验项目。梦天实验舱轴向长约17.9米，结构最大外径超过4米，发射质量约23吨。中国空间站形成三舱两船的基本构型，三舱约60吨，两船20吨左右，中国空间站的总质量达80吨左右。梦天实验舱设计在轨寿命不小于10年，具有通过维修、更换等延长使用寿命的能力。梦天实验舱采用四舱构型，由工作舱、载荷舱、货物气闸舱和资源舱组成，密封舱容积近110立方米，可为航天员提供约32立方米活动空间。![]()
问天舱结构示意图 图源：中国载人航天工作舱总长约9.3米，柱段长6.6米，直径4.2米，前锥布局对接机构、转臂等。作为航天员在梦天实验舱内活动的主要区域，舱内设置工作区、锻炼区与存储区，布局平台设备和实验机柜。货物气闸舱与工作舱连接，嵌套在载荷舱内，总长2.3米，直径约2.2米，容积约8立方米，在航天员和机械臂的内外配合下，用于载荷、设备舱内外转移，运送能力可以达到400千克，单次运送货物的包络可以达到1.15米*1.2米*0.9米。梦天舱的大小机械臂可协同开展舱外操作任务，还能完成互巡互检的自身维护工作，有效提高了机械臂系统的可靠性。可以说，空间站配置的大小两个机械臂，分工各有侧重，又相互配合，实现了1+1>2的实用功能，满足空间站任务的需求。载荷舱总长约4.5米，直径4.1米，Ⅰ、Ⅲ象限各配置一个2米*2.5米的展开式暴露平台，用于安装舱外载荷。如今后需要在舱外安装科学试验设备，可以通过货运飞船上行至梦天舱的货物气闸舱，通过组合臂的抓取和转移，完成在舱外载荷平台上的安装，这样可以实现舱外试验项目不断更新。资源舱总长约5.1米，最大直径超过2.5米，舱外布局中继天线、电源系统设备等，配置一对柔性太阳翼，可通过对日定向装置和驱动机构实现双自由度转动，对接后太阳翼完成二次展开，整体翼展约56米，供电能力不小于6750W。
梦天实验舱舱内提供13个标准科学实验柜安装空间，其中随舱上行9个科学实验机柜和1个共用机柜，舱外提供37个标准载荷接口，支持开展舱外实验。此外，梦天实验舱具备在轨释放微小飞行器的能力，在微小飞行器释放机构与机械臂的配合下，能够在轨自动释放微卫星或立方星。梦天实验舱发射对接，标志着我国建“宫”大业取得重要胜利，中国航天进入崭新的发展阶段。中国空间站完成建设的同时，也将建成国家太空实验室，将支持开展大规模多学科的空间科学研究、技术验证和空间应用，具有航天员参与实验操作、实验设备可维护升级、实验样品可返回、天地信息传输等独特优势。中国空间站将在轨运营10年以上，实验资源充足。利用特有的太空环境，能实现多种技术创新和科技产出，可以说太空是个不折不扣的“超级实验室”。早在天宫二号空间实验室阶段，就实现了伽马射线暴偏振测量仪器、世界首台冷原子钟、空-地量子密钥分配与激光通信试验和多种材料科学试验等技术进展。而中国空间站建成后，空间科学技术必将取得更大的进步。中国空间站转入常态化运营后，其中的科学研究成果预期将有力推动暗物质与暗能量、星系形成演化、物质本质规律、生命现象本质和人在太空的响应变化规律，以及地球可持续发展等重大前沿科学问题的突破，为未来我国开展近地以远的载人空间探索提供深厚的科学和技术积累。此外，中国空间站工程还包括天地往返运输系统，由神舟载人飞船和长征二号F运载火箭组成，用于航天员和部分物资往返空间站；以及货物运输系统，由天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成，货运飞船为空间站运送航天员生活物资、推进剂、载荷设备等补给物资。后续，我国还将发射与空间站共轨飞行的巡天空间望远镜研究设施，开展广域巡天观测。针对上述舱内科学实验机柜、舱外试验装置和巡天空间望远镜，在空间站建造阶段，共安排了近百项实验研究项目。搭载巡天空间望远镜的“巡天”光学舱在需要时，可与中国空间站主体对接，由航天员对其开展推进剂补加、设备维护和载荷设备升级等活动。这也是中国空间站系统的一大创新：中国空间站将成为世界第一个航天器“母港”。同问天实验舱一样，梦天实验舱发射前的准备工作非常之多、且不容有失。7月，按照真空热试验大纲的要求，梦天实验舱依次完成了全部工况试验，并在试验过程中穿插开展了密封舱内有害气体采集测试和噪声测试。8月初，梦天实验舱正式完成所有出厂研制工作，抵达文昌航天发射场。接着，长征五号B遥四运载火箭也安全运抵文昌航天发射场。10月9日，空间站梦天实验舱按计划完成了推进剂加注。梦天实验舱运抵文昌航天发射场以来，已先后完成技术区总装、测试等工作，后续将与长征五号B遥四运载火箭一起开展系统功能联合检查。10月25日，梦天实验舱与长征五号B遥四运载火箭组合体已转运至发射区。长征五号B运载火箭是参与空间站建设的骨干力量，在相继送“天和”、“问天”入轨后，也将送“梦天”梦圆九天。它是专为载人航天工程空间站建设而研制的一型新型运载火箭，是我国现役火箭中运载能力最大的，近地轨道运载能力达到25吨，唯它能托举起重达20吨以上的空间站舱段发射入轨。为了满足梦天舱这样一个大吨位的有效载荷入轨需求，长征五号B攻克了低温火箭零窗口发射、大推力直接入轨、大直径舱箭分离，还有20.5米长整流罩的关键技术，多项“黑科技”为空间站舱段打造“专属座驾”。 ![]()
图源：中国航天科技集团长征五号B运载火箭不仅安全可靠、能力强，还可以为不同的“乘客”定制不同的客舱。在这次运送梦天实验舱的任务中，科研人员就针对梦天实验舱的身材对火箭进行了特殊设计。火箭的顶端是整流罩，被火箭整流罩包裹的就是中国空间站的梦天实验舱。如果把火箭比作运输工具，那梦天实验舱就是乘客。长征五号B运载火箭拥有目前我国最长最大的整流罩，整流罩长度达到20.5米、直径5.2米，容积超过345立方米。作为梦天实验舱的专属“座驾”，长征五号B遥四运载火箭根据梦天实验舱的形状、重量进行了定制化设计。长征五号B遥四火箭为梦天实验舱的座位设计、它的安全防护设计都做了相应的周密安排。为了改善气动特性，火箭整流罩采用流线型的冯·卡门曲线外形，可以更好地减小空气阻力，减轻载荷影响；同时整流罩分离采用了旋转式分离方案，确保超大整流罩安全可靠地分离。 为了满足梦天舱和火箭在发射区的工作需求，专门在火箭20.5m长整流罩上设计了操作口的开口；为了满足梦天实验舱上升段无线通信的需求，在火箭整流罩上也专门定制化设计了整流罩相应的透波口；另外在轨道方面也对满足梦天实验舱入轨的需求进行了轨道的设计，以及入轨精度的详细评估。![]()
长征五号B运载火箭整流罩示意图 图源：中国载人航天空间站交会对接任务对长征五号B火箭提出了“零窗口”发射的需求，发射时间精度误差要控制在1秒以内，这就要求火箭各系统在点火前提前做好准备，等待点火。作为采用液氢、液氧等低温推进剂的“冰箭”，长征五号B运载火箭的“零窗口”发射需要综合权衡发射准备的“提前量”和低温推进剂“蒸发”的“消耗量”间的关系。为此，研制人员通过可靠性分析和试验实现了关键系统可靠性提升，通过射前流程优化提高了各系统对“零窗口”发射的适应性，开创了我国低温运载火箭“零窗口”发射的先河。空间站舱段和长征五号B运载火箭的连接接口直径超过4米，舱箭分离需要考虑可靠性、冲击环境等多个方面的因素，既要确保安全分离，又要尽量将分离过程中出现的冲击环境等不利影响降到最低。因而火箭采用了“双隔冲框＋阻尼盒”的降冲击方案，并应用了“颗粒阻尼技术”。“颗粒阻尼技术”是一种新型振动被动控制技术，通过颗粒体和阻尼器构成一个耦合、封闭的非线性系统，依靠摩擦和非弹性碰撞，迅速地耗散动能，实现减振降噪的效果，使空间站舱段可以在“下车”过程中感受到火箭的“温柔”。长征五号B运载火箭采用一级半构型，由芯一级+助推器+舱罩组合体组成，因此没有单独的调姿和末速修正系统，而是利用一级火箭直接将有效载荷送入预定轨道。在一级发动机关机时，约140吨的推力在几秒钟之内消失，相当于一辆高速行驶的火车突然“刹车”，还要稳稳停靠在指定位置。研制人员通过采用姿态控制增益优化和复合制导方法，提高了火箭姿态控制精度，降低了制导误差对精度的影响，使火箭在分离时处于最佳“姿态”和最准位置。同时，增加了2枚反推火箭，使火箭一级箭体可以及时避开空间站舱段的轨道面，提高了舱箭分离的安全裕度。按照中国空间站建造方案，在空间站建造阶段，陆续发射的两个实验舱将对称分布于核心舱节点舱的两个侧向停泊口，从而完成空间站“T”字基本构型的建造任务。梦天实验舱是中国空间站继问天实验舱后的第二个实验舱，也是中国空间站T字构型的最后一个舱段。为了迎接梦天舱的到来，中国空间站经过一小时的天地协同，于9月30日完成了问天舱转位，空间站组合体整体构型由两舱“一”字构型转变为两舱“L”构型。两舱已“L”构型在轨飞行一段时间后，梦天实验舱成功发射、交会对接，将转位形成空间站三舱“T”字构型组合体。问天实验舱是我国目前最大的单体航天器，如果直接与空间站组合体进行侧向对接，会因为质心偏差对空间站姿态造成较大影响，甚至会出现滚转失控的风险。航天科技集团八院空间站系统副总师魏智进一步解释道，“就像是我们用手推一根木棍的底部，如果是沿着它的方向直推过去的话，木棍会径直向前走；如果从侧面撞过去，木棍则会发生较大的偏转。在太空的微重力状态下，偏离质心的力足以‘四两拨千斤’，让空间站的姿态失稳。”因此，我国两个实验舱都将先轴向对接于前向端口，再通过转位移至侧向停泊口，转位动作在中国空间站的建造及后续任务实施中发挥了重要作用。我国采用的方案则是让问天实验舱在同一平面内进行转位，此时由于质心的运动轨迹也处在一个平面，转位动作对空间站组合体的姿态扰动较小，更易于空间站的姿态控制。但相对于翻转式转位方案，平面式转位方案结构设计难度更大，地面试验系统也更为复杂。为了让转位任务一气呵成、一次成功，研制团队对平面式转位方案进行了精心地分析论证，并研发了相应的测试系统进行在轨工作载荷及转位全时序试验验证，确保了实验舱转位任务的有序、安全、可靠。转位期间，问天实验舱首先完成相关状态设置，机械臂转臂捕获基座，而后对接锁解锁、对接环推出，与天和核心舱分离，之后肩关节转动带动转臂腕，采用平面转位方式完成转位，对接环推出至捕获，转臂解除与基座连接，与节点舱侧向端口再对接，问天实验舱与天和核心舱节点舱由此完成对接。这是我国首次利用转位机构在轨实施大体量舱段转位操作。梦天实验舱发射对接后，天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱三舱形成偏“T”形造型，接着梦天实验舱转位到二象限，形成了空间站真正的“T”字型基本结构，中国空间站在轨建造将最终完成。乘组的可用空间将达到110立方米。此外，中国空间站还可以根据需要进一步扩展，由“T”字构型扩展成“干”字构型，活动空间增加一倍。其未来的应用前景将十分广阔。如果空间站可以进一步扩展舱段，在轨科学试验将得到进一步支持，航天员的工作生活也将享有更好条件。神舟十四号航天员乘组驻留期间，配合了问天实验舱、梦天实验舱与核心舱的交会对接和转位，完成中国空间站在轨组装建造，并完成空间站舱内外设备及空间应用任务相关设施设备的安装和调试，按计划开展数十项在轨空间科学研究实验工程与技术实验，进行飞行任务数据资料拍摄和收集，进行日常维护维修等相关工作。他们还完成问天实验舱和梦天实验舱14个科学实验机柜解锁、安装，并且开展“天宫课堂”太空授课及其他公益活动。乘组所经受的挑战不可谓不多。他们面临构型多（期间经历9种组合体构型），状态新（要操控小机械臂和组合臂、从问天舱气闸舱实施出舱），任务密（实施5次交会对接、3次分离撤离、2次转位、2-3次出舱，各次任务环环相扣）等挑战，这对乘组执行任务能力提出了很高要求。三位航天员圆满完成了任务。今年年底前，我国还将发射天舟五号货运飞船和神舟十五号载人飞船，神舟十五号载人飞船乘组将在轨和神舟十四号的航天员完成轮换，首次实现两个乘组6名航天员同时在空间站工作。神十五号乘组也计划实施数次出舱活动任务，对三舱三船最大构型组合体进行运行管理和维护等。1992年，中国制定了载人航天工程“三步走”发展战略：第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。历时三十年，中国完成了载人航天工程“三步走”战略。空间站技术是航天技术中处于金字塔顶端的存在，直到今天也只有苏联、美国和中国拥有独立建造的历史。人类想要探索宇宙、移民太空，空间站几乎是容纳大规模人类的唯一选择。中国空间站，其主要职能是“太空实验室”。多种科学实验将在其中开展，研究空间环境的物理、化学、生物学、医学的短期和长期效应，为我们前往更深邃的太空提供理论和技术基础。征途漫漫勇毅前行，踔厉奋发梦天梦圆。下一站，中国空间站，让我们一同期待！2) 央视新闻、新华社、环球网、光明网、中国科普博览、科技日报3) 《发射成功！中国空间站来了！（附现场视频）》BY科普中国(ID:Science_China)4) 《为什么要到太空做实验？中国空间站都可以做哪些实验？》BY火星学会(ID:marssociety)5) 《问天VS梦天|2个大小重量同等的实验舱有什么不同？》BY火星学会(ID:marssociety)6）《飞天圆梦，天宫豪宅现在多大面积了，下一步是不是该建设天庭了？》BY中科院物理所（ID：cas-iop）