空间站梦天实验舱构型与布局设计及验证

李立春，柏合民，徐 磊，原 潇，楼 俏，秦 凯，常世杰，吴 凯，朱俊杰

（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

梦天实验舱是天宫空间站三舱组合体的重要组成部分，主要任务是为航天员提供工作场所，为舱内外科学实验提供支持，支持货物进出舱和微小卫星释放。

天宫空间站基本构型以“积木式”为主，结合有限桁架结构，采用运载发射加对接转位的方式实现空间站总体构型［1-3］。核心舱带有节点舱，核心舱Ⅳ象限停泊口对接实验舱Ⅰ，Ⅱ象限停泊口对接实验舱Ⅱ，前向对接口及I 象限对接口可对接载人飞船，后向对接口对接货运飞船，形成空间“十”字形构型［4-6］，构型如图1 所示。在实验舱Ⅰ、Ⅱ尾部，采用桁架结构，配置独立的对日定向装置和驱动机构，实现太阳电池翼二维对日定向。

图1 空间站总体构型Fig.1 General configuration of the space station

本文结合空间站总体构型要求，针对梦天实验舱任务需求，分析其对总体构型与布局的要求，从总体构型和布局出发，提出相关要求的技术解决途径，并完成相关的技术验证。结果表明，梦天实验舱总体构型和布局，满足飞行器任务对构型布局的要求，实现了梦天实验舱相关任务指标。

1 任务分析

梦天实验舱作为空间站舱段之一，其主要任务是支持载荷空间科学实验和货物自动进出舱，发射时，需满足长征五号B 运载火箭发射质量和整流罩内包络尺寸约束要求，从其任务特点和约束条件得出对构型与总体布局的设计要求。

1）区别于卫星专门任务中的指定有效载荷，空间站应用系统的有效载荷较多且需更换［7］。对此构型布局设计时，充分利用整流罩包络，最大限度地发挥梦天舱单次发射的效益；另外在保证平台可行的前提下，一方面通过标准接口约束载荷［8］；另一方面在构型布局设计时，尽量确保具备适应不同载荷需求的灵活性。

2）运载整流罩有限包络与舱体大直径结构之间存在空间矛盾，势必在进行舱外外伸设备布局时受限。因此，一方面，对单机设备提出尺寸约束要求，必要时在代价可接受的前提下采用发射时收拢、入轨后展开的设计方式；另一方面，在构型布局设计时，留有一定的小直径结构区域，保证大尺寸的外伸部件（如大型柔性太阳翼）的布局空间［9］。

3）对于23 t 大质量，长度近18 m 大尺寸的飞行器，在构型布局时，一方面通过构型设计，在满足运载火箭整流罩内包络的前提下，使得靠近运载对接面的构型直径尽量大，以提高整舱刚度［10-12］；另一方面，尽量将大质量的设备布置在靠近运载对接面，以降低质心提高基频［13-15］。

4）对于大质量、大尺寸、多任务的载人航天器，通过分舱段的设计思路实现［16］。在构型布局设计时，尽量使每个舱段功能集中，便于分舱实施总装、试验和测试。设备布局不仅要考虑地面的维修性和操作性要求，还须满足在轨航天员操作工效学要求和维修性要求［17-19］。

2 总体构型与布局设计

2.1 总体构型设计

梦天实验舱总体构型如图2 所示。由图2 可知，实验舱分为工作舱、货物气闸舱、载荷舱及资源舱4 个舱段，总长17.88 m。工作舱主要提供航天员生活、工作和娱乐的密封空间，安装舱内应用载荷及平台设备。货物气闸舱，主要支持载荷通过货物气闸舱进出密封舱。载荷舱设置展开式暴露平台，集中支持安装舱外载荷。资源舱主要安装推进剂贮箱、姿轨控发动机等推进分系统主要设备，以及驱动机构、桁架及太阳翼等电源分系统主要设备，为整舱提供动力和能源，并支持少量暴露载荷。

图2 梦天实验舱总体构型Fig.2 General configuration of the Mengtian lab module

梦天实验舱发射时采用“倒打”方式，即发射状态时，头部的工作舱在下与运载对接面连接，尾部的资源舱在上。梦天实验舱与运载分离入轨后，再偏航180°，将姿态调整为工作舱在前，资源舱在后。梦天实验舱发射状态构型如图3 所示，Ⅰ、Ⅲ象限的可展开暴露平台处于关闭锁紧状态，太阳翼为收拢状态，压紧在资源舱舱壁外。

图3 梦天实验舱发射状态总体构型Fig.3 General configuration of the launch state of the Mengtian lab module

梦天实验舱发射入轨后，在与空间站对接前先独立飞行，该状态下的总体构型如图4 所示。太阳翼一次展开，翼展约24 m。此时太阳翼能绕自身轴线连续旋转，梦天实验舱具备一维对日能力。

图4 梦天实验舱独立飞行状态总体构型Fig.4 General configuration of the independent flight status of the Mengtian lab module

空间站组合体期间，梦天实验舱停泊组装在核心舱Ⅱ象限停泊口，如图5 所示。该状态下，太阳翼完全展开，翼展约为60 m。此时太阳翼既能绕自身轴线，又能绕舱体轴线转动，梦天实验舱具备二维对日定向。同时，载荷舱的可展开暴露平台展开到位。

图5 梦天实验舱组合体状态总体构型Fig.5 General configuration of the Mengtian lab module assembly

2.2 布局设计

根据梦天实验舱的任务特点和整舱构型设计，将整舱规划出若干个区域，如图6 所示。工作舱柱段舱内分为平台设备区、航天员锻炼区、储物区、仪表显示区、载荷机柜上行区、载荷支持设备区和其他载荷预留上行区等，如图7 所示。

图6 梦天实验舱布局区域规划Fig.6 Regional planning of the Mengtian lab module layout

图7 梦天实验舱舱内工作活动区区域布局Fig.7 Layout of the work activity area in the Mengtian lab module

工作活动区为舱内方形通道，作为航天员在轨工作和活动空间；仪器设备区周向根据舱体4 个象限分为4 个部分，用于布置平台设备和应用载荷；仪器设备区沿轴向根据布局对象的类型划分为若干个功能区域。工作舱后锥段处对接有货物气闸舱，供舱外载荷进出舱使用。载荷舱Ⅰ象限对地面与Ⅲ象限对天面规划2 个暴露载荷区域，为暴露载荷A 区和暴露载荷B 区。资源舱锥段Ⅰ象限对地面设置暴露载荷C 区。

平台设备布局规划主要根据整舱构型、分系统功能和布局要求，主要分为密封区域和非密封区域，非密封舱又分为舱内和舱外。

梦天实验舱规划工作舱内提供13 个标准载荷装载空间。工作舱内应用系统二次流体回路、气路设备、应用信息主机及载荷配电器设备的布局空间，不超过1 个标准载荷实验柜安装空间，资源舱安装太阳电池翼和中继天线。

2.3 主要技术特点

梦天实验舱构型契合空间站总体构型要求，满足“技术先进、时代特征、中国特色”的要求。其主要技术特点如下。

1）配置专用的货物气闸舱。

为转移货物，货物气闸舱内安装载荷转移机构，设置内舱门和电动外舱门，具有气闸功能。货物出舱时，外舱门关闭，内舱门打开，载荷转移机构伸长至工作舱舱内；航天员安装载荷，载荷转移机构带载荷缩回到气闸舱内；航天员关闭内舱门，载荷转移机构旋转90°，伸出方向对外舱门。气闸舱泄压后，地面发送指令打开电动外舱门，载荷转移机构伸长将载荷送出，由机械臂取走。载荷进舱过程反之。通过配置专用货物实现空间站出舱活动“人货分离”的设计，提高货物出舱效率，并大大减少了航天员的工作量。

2）采用双层嵌套结构和可展暴露平台设计。

载荷舱和货物气闸舱形成双层舱体嵌套结构，载荷舱在外，对天、地方向各设有1 个平板型可展开暴露试验平台，在轨展开后露出货物气闸舱对地方向的电动外舱门，机械臂可从气闸舱自动取放货物。在保证整舱刚度和强度的前提下，减少货物进出舱过程的气体损耗，同时增加舱外载荷的布局空间。

3）太阳翼二维对日定向的构型设计。

2 个大型柔性太阳翼的收拢状态下，布置在资源舱的II 和IV 象限，太阳翼主体安装于铆接舱舱壁，太阳翼根部连接于桁架上的β 驱动机构。α 驱动机构布置在铆接舱后端面，其固定端与铆接舱固连，转动段与桁架连接。桁架上布置2 个同轴的β 驱动机构，分别在桁架II 和IV 象限。α 驱动机构与2 个β 驱动机构轴线正交，形成二维对日定向。可在空间站组合体姿态不变的情况下，实现空间任意方向的对日定向，保证太阳电池翼的最大发电效率。

3 设计验证

根据总体任务要求和构型布局设计原则，确定梦天实验舱的构型与总体布局设计。通过仿真与试验等手段，验证整个构型和总体布局的设计。

3.1 模态试验

为验证平台主结构的刚度特性，对整舱模型进行整舱模态分析，得到整舱模态计算结果，横向Ⅰ阶频率为5.2 Hz，纵向Ⅰ阶频率为21.0 Hz，Ⅰ阶振型如图8 所示。整舱进行专项模态试验，得到整舱的横向Ⅰ阶频率为5.3 Hz，纵向Ⅰ阶频率为21.4 Hz。试验结果表明，结构设计满足运载火箭对整舱的刚度要求，且上述频率分析结果与力学试验结果基本吻合，证明了仿真分析的正确性。

图8 梦天实验舱Ⅰ阶振型Fig.8 First-order vibration mode of the Mengtian lab module

3.2 振动试验

为了验证梦天实验舱的动力学特性，开展工作舱-气闸舱组合体振动试验、载荷舱-资源舱组合体振动试验、整舱满箱和空箱不同状态的振动试验及噪声试验，试验表明，整舱的动力学响应均满足设计要求。梦天实验舱正样舱通过验收级振动试验，试验结果如图9 所示。通过运载火箭发射段的力学环境考核，其在轨工作状态正常。

图9 梦天实验舱振动试验结果Fig.9 Vibration test results of the Mengtian lab module

3.3 货物进出舱验证

为了验证货物进出舱任务设计的正确性和可靠性，开展载荷转移机构机械组件运动试验、外舱门开关试验，以及货物自动进出舱全流程验证试验，验证产品的可靠性和载荷进出舱工作时序设计的正确性。入轨后货物进出舱工作的顺利开展，进一步验证了构型设计的合理性。

3.4 暴露平台展开验证

暴露平台在地面经过多次带总装电缆及管路状态的展开试验，验证了其展开的可靠性。梦天舱在轨完成转位后，暴露平台顺利展开锁定到位，科学试验载荷在暴露平台的安装和取下，验证了平台结构和载荷布局设计的合理性。

3.5 太阳电池翼的抬升验证

太阳电池翼装舱后，开展小角度抬升试验，试验结果正常，验证了安装接口和运动包络与舱体的匹配性。太阳翼经过运载火箭发射段的力学环境考核，一次展开和二次展开均顺利完成，验证了太阳电池翼安装布局设计的合理性。

3.6 整体式载荷机柜安装验证

单个整体载荷机柜质量约为500 kg，与舱体采用标准6 点安装接口。总装时，采用地面大质量设备进舱工装将机柜送至舱内，并将其安装于对应工位。各工位机柜通过平台角格梁系安装，角格梁之间布置有立杆和斜拉杆，将机柜的载荷传递至工作舱框和壁板上。整舱力学试验对大尺寸重载设备集中安装布局的状态进行动力学验证，机柜动力学响应满足设计要求。经过运载火箭发射段的力学环境考核，在轨工作正常。

3.7 设备布局的工效学验证

梦天实验舱上的设备在轨需要航天员操作和维修。设备布局经过仿真分析，如图10 所示，以及维修性试验和水下试验，全面验证了操作空间、辅助装置设置等工效学要素设计的合理性。航天员出舱对舱外设备的操作均能顺利完成，进一步验证了布局设计的合理性。

图10 航天员工效学仿真Fig.10 Astronaut ergonomic simulation

4 结束语

总体构型与布局设计是梦天实验舱完成任务的重要保证，直接影响梦天实验舱功能和性能的实现，其设计合理性对实现型号研制、降低成本、提升研制效率具有重要作用［20］。围绕货物自动进出舱和载荷科学试验支持任务需求，结合天宫空间站整站的构型要求，本文提出梦天实验舱的整体构型、设备和载荷的布局设计方案。整舱构型匹配了空间站整站双自由度对日定向的构型要求，双舱嵌套构型解决了货物进出舱通道和暴露载荷试验空间问题，布局设计较好地满足系统总体及载荷系统的任务要求。梦天实验舱的成功发射及在轨稳定运行，是对构型与布局设计的全方位验证，平台的布局设计、结构设计、总装实施的便捷性、机构运动和航天员工效学设计均得到有效验证，可为同类型航天器的总体构型与布局设计提供参考。