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实验舱：飞行器的核心舱

航天员生活的实验舱是飞行器运行的核心舱，里面有很多电子设备。对此，设计师采取“藏”的策略，把航天员用不着的东西都装修在“墙壁”里面，看不见也摸不着。这样不仅能给航天员创造一个整洁的环境，同时也避免了航天员与设备意外接触影响设备正常工作。而对于那些暴露在外的设备，为了避免不必要的磕碰，也都采用了圆角的设计。至于航天员需要的设备，设计师则尽量使其人性化。例如，航天员在舱内工作生活会产生湿气，除湿所用的抽气泵，就经过了人体工效学的设计。此前飞船内配备的是手动抽气泵，天宫一号内则同时配备了手动抽气泵和电动抽气泵，平时由电动抽气泵自动定时工作。一旦电动抽气泵出现问题，就要使用手动抽气泵。由于抽气泵把手比较长，所以，被安装在一个稍微隐蔽的地方，平常航天员不会碰到，操作时又有满足动作要求的活动空间。

除此之外，在航天员活动区域，30余个约200厘米长，锦丝带材质的手脚限位器被巧妙地安放在舱壁四周。这种“小身材”装置有着“大功效”，它是舱内数量最多的一项设备，也是保证航天员在失重飘离状态下，便于手脚着力的惟一“法宝”。

在舱内的颜色设计方面，天宫一号正对着地球的方向呈土黄色，有“地”的稳重感；舱顶运用了柔和的灰白色，避免了纯白色对视线的刺激，有“天”的轻盈感。天地之间的过渡色介于两者之间。实验舱内有3个部位采用最接近自然的米黄为主打色，以使航天员在视觉上不容易产生疲劳。这种阻燃性能极强的特殊材料将原先裸露的管线、设备和多层仪器板很好地隐藏起来，若需要使用仪器时，可随时拉开阻燃布的尼龙大扣粘胶带，使用方便。

在实验舱第一象限的舱壁上，整齐地固定十余个用金属大扣包扎整齐的软包，这种金属大扣的奇妙之处在于固定性强且拆卸简易，一拉即开。每个大小不一的软包都有着各自的使命，它们各司其责地为航天员的“空居”生活保驾护航，比如，负责安全的有防毒面具包、灭火器包等；负责生活的有清洁用品包、食品包、内衣包等；负责实验的有乘员设备包、工具包等。

由于舱内非常嘈杂，除了通信时说话的声音外，还有机器设备的响声。这些因素都直接影响着航天员的睡眠。为了给航天员营造一个健康、舒适的睡眠环境，天宫一号设了两个专用睡眠区，里面有独立的照明系统，发出的光均匀不刺眼，航天员可自主调节光线。而用于隔离睡眠区的是厚实的军绿色帘子，它可以隔绝大部分噪音，从而提高航天员的睡眠质量。

航天员将来在天宫一号中驻留的时间比以往的“神舟”任务明显延长。长时间在失重环境下生活会造成肌肉萎缩、骨丢失等症状，所以航天员需要通过太空锻炼进行健康维护。在睡眠区一侧的健身区，天宫一号首次配备了太空锻炼器材：利用自动计量功能的脚踏车—功率自行车，航天员可以把自己束在自行车上蹬自行车，每天按照提前规定的体力消耗完成锻炼；利用对下半身施加负压的下体负压筒，航天员可以将腰以下的部分密封起来抽气，气体抽出后，航天员的血液就会流向下体，使在失重状态下血液往上涌的现象得到缓解。

为了确保安全，天宫一号配备了灭火装置。由于太空中的火灾大多是由电缆引起的，所以往往火情很小，用手套状的灭火湿巾就可以抓握火苗，扑灭险情。这种灭火湿巾不仅耐高温，而且绝缘性能好。如果发生较大火情，灭火器就派上用场了，航天员戴上防毒面具，按下灭火器上的按钮，灭火剂就会把着火点与四周的氧气隔离。由于灭火剂有毒性，一旦使用了灭火器，密闭舱里的空气就受到了污染，航天员不再适宜待在舱里，要么更换舱内的空气，要么返回地球。

窥视天宫一号实验舱内部，正面的布口袋里装着航天员需用的东西。

一系列技术保障天宫运行

由于天宫一号是我国第一个长期在低轨道运行的载人航天器，所以如何保障它在太空恶劣环境中的工作状态和寿命是必须攻克的难关。为了保证在轨安全，遮挡微小碎片对飞行器的撞击，天宫一号的侧壁加有特殊的防护板，具有吸收和弹射的功能，而其自身2〜3毫米厚的金属外衣，也能起到很好的防护作用。万一出现5毫米的漏孔，可维持舱压不小于70千帕约80分钟，为航天员赢得充足的逃生时间。如果遇到较大的空间碎片，地面将向天宫一号发出指令，改变其飞行轨道及速度，避开危险物后再回到预定的轨道继续飞行。

今年11月天宫一号将与神舟八号交会对接。为确保成功，必须让天宫一号这个“庞然大物”能够一直平稳运行，而其姿态控制系统的作用至关重要。短期飞行的宇宙飞船是靠发动机进行姿态控制的，中型人造地球卫星是靠动量轮进行姿态控制的，而大型空间设施则要靠力矩陀螺才能控制。天宫一号采用力矩陀螺作为姿态控制执行机构，利用动量交换原理，通过改变角动量方向来产生控制力矩，其精度和可靠性很高，寿命达8年，还可用于未来的空间站。

在未来在轨运行的两年中，除去分别与3艘“神舟”飞船交会对接外，天宫一号多数时间都是在无人状态下自主飞行。在这么长的时间内，要保证它上天时所携带的资源，如气体等不向外泄漏而影响到航天员的使用，这对天宫一号的舱体密封性提出了很高要求。通过攻关和试验表明，天宫一号舱体的密封性很好，所携带的资源足以供应航天员工作和实验的需要。

天宫一号里有500余台大小设备，均进行了充分的地面试验，有的设备试验次数达万次以上。在参考同类设备实际飞行结果数据的基础上，针对各种可能出现的故障已提前制定了几百种预案，从系统、分系统、单机，各级、各层面上都做了备份，以保证天宫一号各部件的正常运转。在一些关键设备的控制上，还设计了“双保险”，比如无人期间，设备将自动控制，有人时还可以让航天员参与进行人工控制。

这两年是太阳活动高峰年，天宫一号有可能遭遇太阳风暴的影响，致使其轨道的衰减速度加快，进而影响到下次与下一艘飞船的交会对接。为此，研制人员进行了有效的设计，他们会适时利用地面控制系统，启动天宫一号上的推进器将自身往高处托举，使之维持在要求的轨道高度。即使不发生太阳风暴，天宫一号在太空中运行的轨道高度也不是一成不变的：在与飞船交会对接时，它会飞得低一些；无人期间则会飞得高一些，因为越高的地方空气密度越小，轨道衰减越少，从而更加节约能源。

天宫一号在轨飞行示意图。在天宫一号实验舱的前端安装有通信设备、交会测量设备和对接机构。

天宫一号在轨运行期间，还要经受大温差的考验，这对其采用的材料要求很高，而且每个分系统所需材料的要求也同样严苛。其姿态控制系统使用耐辐照石英玻璃，它既能够过滤紫外线，耐宇宙线辐射、耐近千度的高温，还有很强的抗冲击能力。碳纤维复合材料在天宫一号上的使用几乎随处可见。资源舱首次采用了铝锂合金材料，使舱段减重10%，同时保证了结构强度、刚度等性能，提高了资源舱结构承载能力。

在低轨道运行时，航天器附近原子氧浓度非常高，在长期运行中，不耐腐蚀的东西很容易被腐蚀，尤其是太阳电池翼。还有，虽然低轨道上等离子体能量少，但浓度非常高，容易在太阳电池翼上集聚，形成电场，容易使太阳电池翼放电。再加上太阳活动高峰期的影响，天宫一号飞到北极或南极上空时，必须做好防护。这些问题经过科研攻关，都得到了妥善应对和解决。

多个系统都有改进

天宫一号目标飞行器已由长征二号FT1运载火箭成功发射入轨，为我国完成首次空间交会对接任务开了个好头。为了完成其与神舟八号的首次空间交会对接任务，我国载人航天工程8大系统中有多个系统进行了改进，主要涉及航天员系统、空间应用系统、运载火箭系统和测控通信系统。

其中，运载天宫一号的长征二号FT1火箭发射做了多项改进和提高。为适应天宫一号的重量，火箭的运载能力提高了0.6吨，火箭助推器内部顶端形状也发生了变化，由原来的椭球形变成锥形，比原来多加注近20吨推进剂，使火箭的运载能力提高100多千克。由于天宫一号不载人，长征二号FT1火箭取消了逃逸塔装置和控制系统中的关机装置，进一步提高了火箭的运载能力。另外，因为天宫一号要与飞船进行交会对接，入轨的精度要求有了很大的提高，所以火箭采用了新的制导方案：取消了原先的气浮陀螺平台，采用两套惯性测量组合作为测量装置，这样可以更好地满足火箭在俯仰偏航方向上的机动要求。

天宫一号的测控通信系统由两颗天链一号数据中继卫星、16个国内外陆基测控站、3艘测量船，以及北京航天飞控中心和西安卫星测控中心组成。天链一号01星和02星正式作为测控通信系统的组成部分参加此次任务，可提供高达70%的轨道覆盖率，以及百兆以上的高数据传输速率。

天链一号中继卫星作为测控通信系统的重要组成部分参加此次任务

天宫一号和神舟八号进行交会对接时，测控通信系统需要同时完成两个航天器的测控通信管理，为此，总体方案设计充分考虑了协同管理需求，在资源配置和系统能力建设方面进行了最优化设计，在飞控实施中做到统筹集中，以确保任务顺利完成。研究人员先后突破两个航天器接力跟踪等多项技术难题，使我国载人航天任务测控通信水平实现跃升。

在这次交会对接任务中，测控通信系统最具难度和挑战的是正值第24个太阳活动峰年的来临，太阳风暴会使大气密度模型误差增大，对定轨预报精度产生影响，严重时还将导致测控链路中断、电子设备失效。剧烈的太阳活动会给飞行器的部件带来短路等影响，地面会24小时监控空间环境。假如空间环境对天宫一号有危害，天宫一号会用某种姿态来躲避。与以往载人航天任务测控通信系统相比，此次增加了中继卫星系统，形成了天地基相结合的测控体系；测量船由神舟七号任务时的5艘调整为3艘，由于2艘已退役，所以增加了5个国家的测控站，其中3个是联网的，以保重点、短航程为原则设计任务船位。

在空间应用方面，天宫一号将开展空间对地遥感探测应用试验、空间材料科学实验，以及空间环境和物理探测试验，其成果有望对我们的生活带来十分积极的影响。在空间对地遥感探测方面，将利用装载在天宫一号上的高分辨率超光谱成像仪，在地球资源、海洋、环境、水土、农林、城市等领域开展遥感观测及有关地面科学研究与应用。空间材料科学实验主要是安排了复合胶体晶体生长等实验，利用空间微重力条件，进行变温、变压和自然结晶等空间实验，研究胶体晶体的结晶动力学与生长优化条件，为新材料制备和应用提供实验数据。天宫一号上还将利用带电粒子辐射探测器、轨道大气环境探测器和电离层扰动探测器等设备开展空间环境和物理探测试验。

（本文发表于《科学世界》2011年11期）