今天下午2点22分22秒 ，中国空间站的重要组成部分“问天实验舱”，搭载专用座驾长征五号B运载火箭，从海南文昌航天发射场顺利发射。中国“太空之家”的装修进度加速刷新中。
这是中国大推力运载火箭的首次“零窗口”发射，问天实验舱也将成为我国空间站的第二个舱段，其功能定位主要面向于空间生命科学研究，可支持开展单学科或多学科交叉的空间科学实验，为我国开展系列化长期空间科学研究提供更大的平台。
问天实验舱轴向全长17.9米，相当于6层楼房高度，这一长度超越了国际空间站的任意舱段，比天和核心舱16.6米的轴向长度还要长1.3米，该舱段与梦天实验舱同为当今世界轴向长度最长的单体载人航天器，舱段规模达20吨级。
问天实验舱具有哪些神奇功能，未来有机会为我们带来怎样的惊喜？堪比一节地铁车厢的实验舱，经历了怎样的长途跋涉才到达文昌发射场？“神秘不确定”的发射时间背后，长征五号运载火箭要实现“零窗口”发射问天实验舱有多难？以下，Enjoy：
来源 / 中国载人航天、新华社、央视新闻、人民网科普等
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问天实验舱的神奇功能
让航天员即将迎来太空新体验
“问天”的名字，源于屈原的长诗《天问》。诗中屈原向上天提出了100多个问题，开头一句“遂古之初，谁传道之”便直接指向了世界的起源。某种意义上来说，问天实验舱便是用以回答这些问题的工具之一。
作为中国空间站首个实验舱，问天实验舱有哪些特殊装备与功能？它的“到访”将给航天员带来哪些太空“出差”新体验？
▌职责：天和备份与科学实验
问天实验舱是继天和核心舱之后，中国空间站第二个大型舱段，其主要功能是开展科学实验，将是航天员在轨期间的主要工作场所。
问天实验舱结构示意图 图源：火星学会
问天实验舱主要面向空间生命科学研究，配置了生命生态、生物技术和变重力科学等实验柜。 在过去的天 宫二号任务中，景海鹏和陈冬已经尝试种生菜、养蚕，这次航天员将拥有更丰富的科学研究资源，未来将在这些实验柜种植植物、饲养小动物、培育微生物等。
作为国家太空实验室，建成后的中国空间站舱内可以部署25台科学实验柜，每台实验柜都是一个小型的太空实验室。据专家介绍，实验机柜的尺寸、接口等进行了通用化和模块化设计，实验项目完成后，航天员可以进行在轨更换实验柜。另外，问天实验舱外部还有许多挂点，可用来安装科学研究设备，开展舱外实验。
除了用于科学实验，问天实验舱还要“兼职”天和核心舱的功能备份。为提高空间站可靠性、保障航天员生命安全，问天实验舱进行了功能备份，当核心舱出现功能故障时，可切换至问天实验舱。另外，问天实验舱还配置了3个睡眠区、1个卫生间和厨房等设施，将为6名航天员在轨轮换提供条件。
图源：火星学会
▌外观：“大翅膀”配小机械臂
问天实验舱的外形与天和核心舱有很大区别，它除了有一个大柱段外，在尾部有一对巨大的太阳能帆板。太阳能帆板能以最佳角度面向太阳，避免飞行过程中其他舱段遮挡阳光，保障空间站电力供应——这是世界第四代空间站的重要特点。
入轨后，太阳翼首次正面展开长度约6.5米，相当于两个车道的宽度；二次展开的正面长度约23米，足够停下4到5辆家用汽车；整体翼展超过55米，可供两头成年蓝鲸首尾相连地躺在上面。太阳翼能够持续稳定地为舱内实验载荷供电7.5kW以上。
根据中国载人航天工程办公室公布的信息，问天实验舱将为空间站新添“明星”部件小机械臂。已经成为空间站“标配”的机械臂，其本质上是一种太空机器人，功能强大。
核心舱配置的大机械臂展开长度为10.2米，最多能承载25吨的重量，是空间站任务中的“大力士”。小机械臂的重量和长度均约为大机械臂的一半，负载能力约为大臂的八分之一，更为轻巧灵活，精度更高，能够完成更精细的操作。另外，大小机械臂可以组合使用，实现更大范围的舱外设备安装和航天员舱外作业。
此外，问天实验舱还配置了全新的出舱气闸舱，这是未来航天员的主用出舱口。该出舱口朝地球一侧，且更为宽敞，航天员出舱更方便。相比于天河核心舱，在全新的出舱口领略地球美景，能够尽可能避免阳光直射干扰，直播画面也会不再刺眼。
▌挑战：中国航天员首迎航天器来访
此次问天实验舱发射将是中国航天员首次在轨迎接航天器来访。航天员在轨迎接，一方面可全程观察自动交会对接过程，另一方面自动交会对接模式和手控交会对接模式可以相互切换，为问天实验舱顺利对接提供“双保险”。
此外，航天员在轨迎接航天器未来也是中国空间站的常态。由于中国空间站之后将实现航天员乘组在轨轮换，这意味着航天员需要在轨迎接天舟货运飞船、神舟载人飞船等航天器的到来。神舟十四号航天员此次在轨迎接问天实验舱，将为后续任务提供经验参考，特别是计划明年发射的巡天望远镜，也需要定期停靠到空间站，由航天员进行维护。
神舟十四号乘组到达空间站也已一个多月。这期间，为了保障后续复杂密集的专业技术任务，航天员们首先进行了交会对接操作训练，包括手控对接、遥操作对接等技能。地面上的大量训练，让他们对各项操作早已烂熟于心，可以达到极高的观测和控制精度。但是任务艰巨，训练不止，他们依旧反复训练，为航天器的到访做好了万全准备。
三位航天员们还进行了机械臂操作训练。机械臂是支持航天员出舱的重要保障，可以为出舱任务助一臂之力，因此定期巡检、演练与机械臂的默契度格外重要。
问天实验舱抵达后，将为航天员提供约50立方米的空间，中国空间站的规模将进一步增大。
航天员将进入舱内启动生命维持系统，完成科学实验柜的组装，同时开展交叉科学实验。此外，全新的太空授课也将在“问天”实验舱开展。按计划，神舟十四号航天员乘组已经完成了对舱外航天服的巡检测试，在轨期间他们还将从问天的出舱口，完成2到3次出舱活动。
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长途跋涉的问天实验舱
那么，具有如此精妙复杂功能的问天实验舱，在发射前经历了怎样的重重考验？
自4月29日问天实验舱正式进入发射场开展发射场区总装和测试工作，到发射前的近三个月时间里，问天实验舱可谓进行了一番长途跋涉。
首先，在问天实验舱完成出厂评审后，从天津港启航，通过海上运输和公路运输前往文昌航天发射场。在运输途中，问天实验舱的工作舱、气闸舱与资源舱三个舱段独立包装运输，太阳翼、小机械臂等大型设备安装在舱体上一同运输进场。
整个运输期间，包装箱内维持5℃-25℃的温度、60%以内的湿度、3kPa以下的内外压差以及低于1.0g的最大加速度峰值，以确保问天实验舱稳妥运抵文昌航天发射场。
长征五号B运载火箭海上运输至文昌清澜港
进入发射场，在完成问天实验舱三个舱段的专项评审后，科研人员们把单独运输的设备与软包产品进行恢复安装。完成工作舱、气闸舱、资源舱的整舱刚性对接后，他们进一步通过对舱体的结构对接面与管路对接面的检漏，充分确保整舱对接满足控制要求。
问天实验舱工作舱开舱
总装是进场后的重要工作，测试工作也必不可少，例如对电缆网、热控措施以及机械臂等其他安装在问天舱的设备进行测量测试，对摄像机、机柜等舱内外各项设备进行电测，并进行整舱模飞。此外，还有航天员系统、空间应用系统等七大系统的接口确认等工作，确保问天实验舱飞行任务的有序开展。
确认加注转运前状态后，进行密封舱封舱、整舱转垂直工作，这标志着问天实验舱完成了总装、测试阶段的各项工作。工作人员帮助问天实验舱“穿”上船衣，用“元宝车”搭载问天实验舱进入下一阶段——加注扣罩阶段。
问天实验舱作为我国现阶段最大的空间站单体舱段，其推进剂总加注量达到1550kg。加注完成后，空间站系统再次对问天实验舱进行质量确认，而后再进行扣整流罩。
在整流罩的保护下，问天实验舱被吊装至垂直总装测试厂房，与长征五号B遥三运载火箭一起开展了总装和测试工作——这是问天实验舱运往发射区前最后一次全系统联调联试，一切都是按照“真实模拟发射实况”的要求，“真刀真枪”地进行操练。
最后，在经历上述几个阶段的重重“考验”之后，问天实验舱和火箭组合体就正式进入了垂直转运与发射阶段。垂直转运主要依靠活动发射平台完成，由防风拉杆将组合体与平台紧紧连接在一起，转运至发射塔架。
问天实验舱与火箭组合体转运至发射区
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中国大推力运载火箭的首次“零窗口”发射
与以往几次空间站的发射任务有所区别的是，本次发射问天实验舱的时间更为“神秘”，直到发射前夕都宣称“即将择机发射”。这背后航天人们有着怎样的考量？
据西昌卫星发射中心副主任毛万标介绍，问天实验舱之所以对发射的时间有非常严格的要求，主要是因为后续与天和核心舱交会对接的一些需要。这是我国大推力运载火箭首次实现“零窗口”发射，其技术的复杂性和难度以及应急处置可能带来的风险都非常巨大，这对航天人们来说是极大的挑战。
所谓“零窗口”发射是指火箭发射时间和预定点火时间偏差不能超过1秒。这需要预先计算好的发射时间，分秒不差地将火箭点火升空，不允许有任何延误与变更。
因此，早在任务进场之前，他们就开始了全系统的谋划。发射现场近3公里长的垂直转运轨道上，来自火箭系统、实验舱系统、航天员系统以及发射场系统的航天人，都陪伴着火箭一路同行。
问天实验舱重量超过23吨，相当于六头成年亚洲象，要把如此重磅的航天器送入预定轨道，就需要一个大推力的运载火箭，长征五号B遥三运载火箭就是专门为空间站工程量身定制的。
拥有强大的运载能力的长征五号B运载火箭，最特殊的本领就是在发射过程中火箭主体不再进行多次分离，只用一级火箭和助推器就能直接入轨，实现“一步登天”。
它也是目前世界现役火箭当中唯一一个 “一级半”构型的运载火箭——中间的主体部分是“一级”，旁边捆绑了四个助推器算“半级”，形成了“一级半”构型。火箭的主体部分采用了两台50吨级的液氢液氧发动机，而在四周四个助推器上面，总共使用了8台120吨级的液氧煤油发动机。
火箭构型简洁，所有发动机的点火都在地面完成，也无需进行火箭主体之间的分离、高空发动机启动等动作，从而降低了故障发生的概率，有效提升了发射可靠性，更能够胜任重大航天发射任务。点火之后，这些发动机共同工作，能够为火箭提供超过1000吨的起飞推力。
凭借着强大的推力，巨大的长征五号B火箭可以直接飞出大气层，只需400多秒就能够将空间站舱段送入预定轨道。
图源：中国载人航天
据长征五号运载火箭副总设计师黄兵介绍，发射过程每一次的分离都对整个任务有着非常大的影响，所以在火箭的设计过程之中，他们期望分离这种动作越少越好，保证它整个能够比较安全地稳定地入轨。能够用最简的构型、最优化的构型、分离次数最少来实现最大能力，是一个最好的方式。
此外，通过长征五号B火箭的研制，更是推动验证了我国大型火箭“模块化”的设计思路。
长征五号B运载火箭上配备的四个3.35米直径助推器和一个5米直径的火箭主体，实际上是与长征五号运载火箭是通用的。长五系列火箭在设计之初就按照系列化、模块化的思路进行设计，像拼积木一样，针对不同的发射任务采用不同的模块进行组合，可节约成本，缩短研制周期。
如果说长征五号是该系列火箭的完整体，那么长征五号B就是一个“选配版”。通过搭配不同的模块，未来还将诞生更多的长征五号“家族”成员，从而适应更多不同类型的发射需求。
目前我国的长五火箭经过模块化的设计，已经实现了6个构型的覆盖，使得它可以实现从近地轨道十几吨到25吨，从GTO（高轨道）7吨到14吨的发射能力，自身就可以成为一个体系。
作为中国空间站的首个实验舱、国家太空实验室的重要组成部分，问天实验舱未来将为我国开展系列化长期空间科学研究提供更大的平台。对接后，空间站组合体将形成“两舱两船”构型。
与此同时，梦天实验舱近期也在天津顺利完成了正样热试验，预计10月发射。
有了由天和、问天、梦天组成的“三室”，与神舟载人飞船与天舟货运飞船组成的“两厅”，中国空间站完成“三室两厅”的豪华布局，指日可待。
Reference：
1）中国载人航天官方微信
2）央视新闻、新华社
3）《问天实验舱发射在即，航天员将有何太空新体验？》BY 人民网科普（ID:peoplekpzg）
4）《问天实验舱升空在即，它有哪些神奇功能？》BY 光明网
5）《“神十四”乘组静待来访！“问天”实验舱将于本月在海南文昌发射》BY 央视一套
6）《今天，有大事发生！》BY 科普中国（ID：Science_China）
7）《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）
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