近观天和核心舱

黄践

中国科技馆“天和”核心舱1：1结构验证件

什么是结构验证件？

天和核心舱是中国自主研制的规模最大、系统最复杂的航天器，它并非是直接设计制造的，而是先制作1：1结构验证件，并在其基础上不断改进而来。核心舱结构验证件可以说是天和核心舱的“同胞兄弟”了，目前在中国科学技术馆长期展出。

结构验证件上的合金“铠甲”

为什么要为天和核心舱设计“一级半构型”火箭？

长征五号B（以下简称为“长五B”）运载火箭在火箭一级的基础上捆绑了四个助推器，一般我们将助推器算作半级，所以长五B是“一级半构型”火箭。由于天和核心舱的发射质量达到22.5吨，这就要求火箭需要较大的比冲，也就是单位推进剂产生的冲量较大。长五B就是这样一款专门针对近地轨道设计的短跑选手，它的一级火箭配置的2台YF-77氢氧发动机比冲高，4个助推器配置的共8台YF-100液氧煤油发动机推力大，爆发力强。今年，长五B运载火箭将担当起发射问天、梦天实验舱的重任。

中国科学技术馆“问鼎太空征途”展厅的YF-77氢氧发动机

节点舱上的对接口（右）与停泊口（左）

对接口旁的十字靶标

核心舱外部的节点舱方向标识

核心舱外部的方向标识

节点舱上的对接口与停泊口有什么不同？

节点舱是天地往返运输系统的重要枢纽，同时也是天宫空间站组成T字形构型的唯一节点。节点舱后侧与小柱段连接，前方与下方分别为前向对接口与径向对接口，左右两侧为停泊口，上侧为出舱口。对接口用于载人飞船、货运飞船及其他飞行器访问空间站，设置了用于交会对接的角反射器与十字靶标;停泊口用于两个实验舱与核心舱组装形成空间站组合体。

对接口旁的角反射器

航天员出舱工作时如何辨别方向？

航天员出舱工作时，舱外航天服受限的视野与太空失重的环境会让辨认方向成为难题，同时核心舱外部有太阳翼、机械臂等结构，舱外移动时需要进行避让。为了解决这个问题，天和核心舱外部设置了方向标识，用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ标示出核心舱上、下、左、右四个面，同时用汉字与箭头标示返回节点舱的移动方向，按照箭头的指示，航天员们就能安全返回节点舱的出舱口。

中国空间站机械臂有多灵活？

天和核心舱机械臂是对人类手臂的最真实还原，肩部3个关节，肘部1个关节，手腕3个关节，共有七个自由度，在太空可以实现类似人类手臂的运动能力，可以在太空抓取物体，方便设备的对接、安装、变轨、分离等操作。同时，天和核心舱在多个位置设置了机械臂连接口，机械臂可以按照任务需求进行移动。

核心舱小柱段外的机械臂连接口

控制力矩陀螺

天和核心舱如何调整飞行姿态？

如果用手摆动一个高速旋转的陀螺，我们会感觉到明显的阻力，这其实是旋转产生的“角动量”在起作用，航天器也是利用相同的原理来进行姿态控制的。天和核心舱的6个“控制力矩陀螺”都安装在大柱段与小柱段过渡的斜面上，每一顆“陀螺”球里边都密封着一个钢制的飞轮，飞轮以每分钟数千转的速度旋转，通过飞轮的加速、减速与旋转输出力矩，从而调整飞行的姿态。

为什么要在空间站中做实验？

空间站具有的特殊太空环境，为开展科学实验提供了特殊条件，比如微重力环境。在微重力环境下，物体是悬浮的，可以实现样品悬浮的“无容器”实验，让材料学研究摆脱实验容器的干扰。在微重力环境下，浮力也会消失，加热流体的效果也会与地面显著不同。地面上的物体做自由落体运动时，也可以提供类似的环境，但下落速度太快，难以利用，而在轨运行的空间站所提供的长期微重力环境为开展科学实验提供了独特的条件。

无容器材料实验柜

太空授课中的“浮力消失”实验