揭秘空間站“三居室”的“超級維修工廠”

近日，夢天實驗艙進行轉位并打開艙門，與天和核心艙、問天實驗艙形成空間站“T”字基本構型組合體，航天員在太空住上了“三室大豪宅”。

夢天實驗艙搭載了8個科學實驗柜，其中最特殊的就是在線維修裝調操作柜（以下簡稱在線柜）。它像一個“超級維修工廠”，確保航天員在空間站住的舒心、科學家的實驗也能順利進行。

在近日的《中國科學報社——走進國家太空實驗室/ 系列直播特別節目》上，中國科學院空間應用工程與技術中心實驗柜總體主任設計師張立憲、中國科學院空間應用工程與技術中心在軌氣液支持主任設計師薛晶、中國科學院空間應用工程與技術中心電子學主任設計師李策、中國科學院空間應用工程與技術中心在線柜副主任設計師王金準4位專家，對科學實驗柜進行了詳細解讀。

打造空間實驗“夢工廠”

此次夢天實驗艙搭載的8個科學實驗柜，每一個都相當于綜合性的領域實驗室。這些實驗室看起來整潔舒適，絲毫不見盤根錯節的線纜、管路，這少不了科學家前期的規劃。

據張立憲介紹，科學實驗柜由基礎支撐系統和科學實驗系統兩部分構成，科學家對其中較共性的結構安裝、基礎電子學與熱控功能進行提煉，統一開發研制高水平的基礎支撐系統，使得科學實驗柜“對外接口一致、對內接口規范”，便于航天員操作和長期運營保障，也方便不同實驗柜的科學家團隊根據規范來設計不同的科學儀器設備。

為了盡可能完成更多實驗，所有的科學設施都要裝在柜子中，如何太空中實現“既輕便又牢固”？

張立憲說：“在實驗柜建造期間，通過多輪次‘材料優選、輕量化設計、仿真分析、力學試驗驗證’的迭代，以不到100kg的柜體主結構能承載500kg重量的優異承載性能。”

如果把空間站比作一個大房子，科學實驗柜就是里面的“家用電器”，也需要供電和網絡通訊。

李策說：“實驗柜做了特別的設計，具有自保護的能力，每個實驗柜分配一定功率的電力，其中大約4/5分配給了科學實驗系統，另外的1/5則用于基礎保障設施；同時，每臺實驗柜有8路1000M的網絡提供給科學家，來傳輸實驗數據。此外實驗柜還能通過光纖和空間站其他設備進行數據傳輸，通訊方面做到最大化的滿足科學實驗的要求。”

科學實驗柜中，不同的科學載荷會有不同的散熱需求，有的科學家希望設備用液體散熱，有的科學家希望能用風冷散熱。因此，氣、液多場自適應快速重構的模塊化熱控應運而生，是每個實驗順利進行的“幕后英雄”。

“地面上風扇是很常見的冷源，熱量吹到空氣里，很快就會消散掉。但是在軌的風扇可不是隨便用的，需要考慮設備是否會被吹跑，也要考慮熱氣吹向了哪里，相比之下液冷散熱效率更高，路徑更清晰。”薛晶說。

變身“超級維修工”

在線柜最核心的部分就是有一個非常大的多功能操作箱——在線維修操作支持單元，有效操作體積在360L以上。

“操作箱前面有個透明的面板，航天員可以看到箱內的環境，也可以通過面板上的兩個操作孔，利用手套，從外部對箱體內的載荷進行操作。此外，航天員還可以把透明面板打開，直接對里面的載荷進行操作。不僅如此，箱體內部有監測溫度、濕度、壓差的傳感器，有相機和照明設備，有供電、信息接口，還有液體、氣體的接口。”王金準說。

如果天上進行的科學實驗產生了廢棄物質，在線柜還裝有一套風路循環系統，可以同時實現風冷散熱、廢棄顆粒物的吸附和部分氣體的吸收處理。

夢天實驗艙配備的科學載荷，有大有小，尺寸不一，面對不同的維修需求，在線柜也做了充分的準備。

在線柜配備有一套7自由度的靈巧機械手，可以實現多種類的精密操作，操作精度可以達到0.1mm。如果有載荷需要來這里進行操作或者試驗，就可以把它放到底部的作業臺上，充分利用箱內現有的資源。

如果需要維修的載荷尺寸很大，在線柜還額外設計了一個可以展開的移動維修平臺，它折疊著放在了箱體的下方。

“航天員使用的時候，可以把移動維修平臺抽出、展開，固定在柜子的任意高度上，一個拓展式的操作平臺就架設好了，這個平臺提供了多種不同的固定方式適應不同的載荷。”王金準表示。

最特別的是，在線柜還有一套基于增強現實技術的智能誘導維修系統，可以讓航天員秒變“超級維修工”。

王金準介紹，航天員如果需要維修操作一些復雜的設備，可以不再使用傳統的說明書、操作手冊等產品，而是選擇戴上增強現實眼鏡，配合誘導維修軟件的指引，在真實的待操作產品上疊加預先制作好的操作指引動畫。