空间站梦天实验舱总体设计与技术特点.pdf

第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）空间站梦天实验舱总体设计与技术特点罗斌1，季逸民2，吴军2（1.上海航天技术研究院，上海 201109；2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109）摘要:作为空间站主要舱段之一，梦天实验舱主要为各类舱内外载荷的在轨试验提供支持，具有特有的载荷货物进出舱支持和微小飞行器在轨释放支持能力，可全面提升空间站的综合应用效益。梦天实验舱 2022年 10月31 日入轨，入轨后完成了初始状态设置、在轨测试和多次货物进出舱任务，各项功能正常，各项指标均满足要求。回顾梦天实验舱研制历程，概述梦天实验舱总体方案，总结其主要技术特点及创新点，介绍在轨测试及运行情况。关键词:空间站；梦天实验舱；货物进出舱；微小飞行器在轨释放中图分类号:TN 911.73；TP 391.9 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.05.001Overall Design and Technical Characteristics of Mengtian Lab ModuleLUO Bin1，JI Yimin2，WU Jun2（1.Shanghai Academy of Spaceflight Technology，Shanghai 201109，China；2.Shanghai Aerospace System Engineering Institute，Shanghai 201109，China）Abstract:As the main module of space station，the Mengtian lab module mainly provides support for in-orbit tests of various inner and outer payloads.It has the unique capabilities of supporting payload inbound and outbound transportation and micro-satellite and cubesat releasement，and can promote the comprehensive application efficiency of space station.After launching into orbit on October 31，2022，the Mengtian lab module finished the initial state setting，in-orbit tests，and several times of payload inbound and outbound transportation missions.All functions of the Mengtian lab module are normal，and all indicators meet the requirements.In this paper，the development process of the Mengtian lab module is reviewed.The overall design is overviewed，the technical characteristics and the innovation points are summarized，and the in-orbit tests and operations are introduced.Key words:space station；mengtian lab module；payload inbound and outbound transportation；micro-satellite and cubesat releasement0引言 1992年，我国做出了实施载人航天工程的重大战略决策，确定了三步走的发展战略1。1999年起，中国先后实施并胜利完成了载人航天第一步、第二步发展战略，突破了载人天地往返技术、出舱活动技术、交会对接技术，成为了世界上少数几个独立掌握载人航天技术的国家，大幅提高了我国的国际威望，增强了民族凝聚力。2010 年 9 月，空间站工程正式获得国家批准并开始实施2，同时明确了我国空间站工程的战略目标是：在 2020 年前后建成和运营近地空间站，使我国成为独立掌握近地空间长期载人飞行技术，具备长期开展近地空间有人参与科学技术实验和综合开发利用太空资源能力的国家。2012 年 3 月，在工程总体领导下，经充分论证，立足我国国情，借鉴国际载人航天发展历程及空间站建造经验，充分继承我国载人航天工程前期成果的基础上，我国提出了“天宫”空间站基本方案，明确了空间站基本型采用三舱 T 字构型组合体，由天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱组成3-6；明确了收稿日期：20230815；修回日期：20230901作者简介：罗 斌（1968），男，研究员，硕士，主要研究方向为航天器总体设计。通信作者：季逸民（1997），男，助理工程师，硕士，主要研究方向为载人航天总体设计。1第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）三舱功能定位：天和核心舱作为空间站平台统一管理与控制核心，支持其他飞行器的交会对接及转位停泊，为航天员长期在轨驻留提供支持，支持航天员出舱活动；问天实验舱主要功能是对天和核心舱关键平台功能进行备份，为航天员提供专用气闸舱，支持航天员出舱，并支持开展较大规模舱内外空间科学实验和技术试验。梦天实验舱主要功能定位是支持多功能光学设施7，并支持开展大规模舱内外空间科学实验和技术试验8-9。2012 年 3 月2022 年 10 月，历时约 10 年，梦天实验舱先后经历方案设计、方案调整、初样研制、正样研制、发射场等多个阶段研制工作：1）2012 年3 月2014 年 6 月，梦天实验舱研制工作突破了大开口结构设计等关键技术，完成了以 5 t级多功能光学设施为主载荷的方案设计。2）2014年初，由于功能调整，多功能光学设施独立成为巡天舱10，与空间站共轨飞行。梦天实验舱功能定位调整为支持货物进出舱、支持微小飞行器在轨释放，并支持舱内外空间科学实验和技术试验。3）2014 年 10 月，梦天实验舱完成方案设计研制工作，转入初样研制阶段。4）2021年 4月，梦天实验舱完成初样阶段研制工作，转入正样研制阶段。5）2022 年 7 月，梦天实验舱完成正样研制，具备出厂条件。6）2022 年10 月 31 日，梦天实验舱在海南文昌发射中心，搭乘CZ-5B 运载火箭发射升空，与先期发射的天和核心舱、问天实验舱完成了交会对接与转位组装，完成了“天宫”空间站三舱 T字基本构型的建造。总体方案 梦天实验舱的主要任务是：1）在轨完成与核心舱和实验舱 I组合体的交会对接、舱段转位和停泊，形成刚性连接。2）与核心舱和实验舱 I 组合体对接、转位形成空间站组合体后，参与组合体的管理与控制。3）为航天员在密封舱内工作提供保障条件。4）为开展密封舱内、非密封舱和舱外空间科学实验和技术试验提供保障条件，提供货物气闸，实现载荷进出舱；支持在轨释放微小飞行器。梦天实验舱全长 17.88 m、最大直径 4.2 m、总质量 23 t、负载功率 13.5 kW；采用四舱构型，由工作舱、货物气闸舱11、载荷舱及资源舱四舱构成，如图 1 所示。工作舱为密封舱，为航天员生活工作提供空间，安装舱内平台设备及舱内应用载荷机柜；货物气闸舱为密封舱，配置相关设备支持各类货物进出密封舱；载荷舱为非密封舱，设置固定式和展开式暴露平台，集中支持舱外载荷试验；资源舱为非密封舱，主要安装推进系统设备，电源系统设备等，为整舱提供动力和能源，并支持少量舱外载荷试验。梦天实验舱由 15 个分系统及 2 个总装直属机构组成，如图 2所示。图 1梦天实验舱构型Fig.1Configuration of the Mengtian lab module2第 40 卷 2023 年第 5 期罗斌，等：空间站梦天实验舱总体设计与技术特点1）结构与机构分系统。结构与机构分系统由工作舱结构、货物气闸舱结构、载荷舱结构、资源舱结构、前舱门、内舱门、外舱门、力学参数测量系统、微流星撞击感知系统等组成。工作舱、货物气闸舱均采用网格加筋壁板焊接密封结构；载荷舱、资源舱采用框桁蒙皮铆接结构。载荷舱配置可展开暴露平台，可在轨展开。2）GNC分系统。GNC 分 系 统（飞 船 的 制 导（Guidance）、导 航（Navigation）与控制（Control）独立飞行期间主要负责整舱的姿态与轨道控制12-13，三舱组合体期间参与并配合整个组合体的协同控制；配置二浮陀螺、光纤陀螺等惯性测量单元，配置星敏感器、地球敏感器、0-1 太阳敏感器、数字太阳敏感器用于整舱姿态测量；采用北斗兼容机测定轨与地面测定轨相结合实现导航；配置差分 GNSS、微波雷达、激光雷达、CRDS光学成像敏感器及遥操作摄像机，完成与空间站相对导航。交会对接期间，采用基于地面计算制导策略的全相位快交方案，交会对接时间约13.5 h。3）电源分系统。电 源 分 系 统 主 要 负 责 为 整 舱 提 供 能 源14-15；采用太阳电池翼+锂电池组的 100 V 高压光伏电源系统方案，共设置两个完全独立的功率通道，单通道负载能力6.75 kW，整舱负载能力13.5 kW。配置两幅柔性太阳电池翼，单翼面积约 138 m2；太阳翼采用双自由度对日定向模式，配置对日定向装置和驱动机构，实现太阳翼稳定跟踪；采用 S3R 功率调节模式，将母线电压控制在 102107 V范围内。4）数据与健康管理分系统。数据与健康管理分系统主要负责整舱的数据采集、数据处理、数据交换、程控指令分发、时间分配、自主健康管理，对整舱系统网进行统一管理16。整舱系统网采用 1553B总线架构，分为控制层、本地层及用户层三级拓扑结构，配置通用计算机及标准化的综合业务单元实现对整舱数据的综合管理。配置对接总线，可与组合体实现 1553B总线并网。5）总体电路分系统。总体电路分系统主要负责整舱的能源分配、火工控制及电缆网实现。采用分级配电架构，分为母线传输及切换层、母线控制层、总体配电层、分系统配电层 4层配电。母线传输与控制层配置母线切换单元，可实现整舱与空间站其他两舱间的功率调配与并网供电；母线控制层配置母线控制单元，将整图 2梦天实验舱系统组成Fig.2System composition of the Mengtian llab module3第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）舱两条功率通道输出能源分配至各配电单元；总体配电层配置多台标准化功率控制单元，将电能分配至各用电设备；分系统配电层为下游设备提供电压变换及二次配电。6）测控通信分系统。测控通信分系统主要负责整舱的天/地基跟踪测轨、空空通信、遥控指令、图像通信、话音通信、网络通信、天地数传、频率基准以及环境测量，对整舱通信网进行统一管理。采用地基 USB17与天基BD/GPS 相结合的跟踪测轨方案；配置 USB 链路、窄波束 S 中继链路、宽波束 S 中继链路、Ka 中继链路、空空通信链路等，实现天地及航天器间通信；配置以太网交换机、无线 WIFI等设备，采用千兆以太网技术实现图像、语音数据高速传输，具备与组合体进行通信网并网能力。7）热控分系统。热控分系统主要负责整舱的热量收集、传输与排散，控制整舱平台温度。采用主动流体回路为主，被动散热为辅的总体方案。配置中温内回路、载荷回路、外回路等多条独立流体回路，实现整舱设备温度控制；内回路可与组合体其他两舱流体回路并网，实现热量及散热能力调配。8）推进分系统。推进分系统主要为整舱提供变轨冲量。推进系统采用甲基肼和四氧化二氮双组元推进系统，增压气体为氦气；共配置 490 N 轨控发动机 4台、24台150 N 姿态发动机、8台 120 N 滚动发动机；采用 4个400 L金属膜片贮箱储存推进剂。9）对接与转位机构分系统。对接与转位机构分系统18主要负责与天和核心舱的对接、转位、停靠、分离。配置主动对接机构机械组件、主动对接控制器、对接驱动器、转位机构转臂和转位控制器等。10）机械臂分系统。机械臂分系统19-20在梦天实验舱上主要配置有2个折叠式目标适配器、4个小臂目标适配器及多个小臂靶标，支持组合体期间核心舱及实验舱机械臂在梦天舱外的爬行及操作。11）仪表照明分系统。仪表照明分系统主要负责整舱的仪表信息支持与照明支持，配置仪表计算机、智能显示器及音频单元，为航天员提供整舱信息；采用声光电等多种手段为航天员提供整站报警信息；配置 LED 照明灯，实现整舱照明。12）环控生保分系统。环控生保分系统主要负责整舱供气调压、通风净化、空气温湿度控制、环境监测及烟火监测与灭火。配置低温内回路及通风换热系统，实现整舱空气温湿度控制；配置微生物净化器、火灾净化器实现整舱空气净化；配置感烟传感器、差定温探测器实现火灾监测，并配置灭火器、灭火湿巾及应急呼吸装置供航天员灭火时使用。配置一套压控系统实现整舱总压控制、对接通道泄复压控制、货物气闸区泄复压控制功能。13）空间技术试验分系统。空间技术试验分系统负责为应用载荷试验提供支持。配置载荷管理单元，通过 1553B总线，实现与舱内及舱外载荷管理主机的数据交互；配置骨干交换机，采用万兆以太网，实现与应用载荷管理设备的高速数据连接；具备与组合体其他两舱载荷网并网能力，实现三舱高速数据互联。14）乘员分系统。乘员分系统21是梦天主要配置微重力抗阻锻炼装置，为航天员提供失重防护锻炼服务。15）物资管理分系统。物资管理分系统主要负责实现整舱内饰、身体限位辅助设施、标签标识、物资存储管理等功能。梦天实验舱采用一套移动式身体限位方案设计，方便航天员根据任务需要调整限位装置的安装位置。16）载荷转移机构。梦天配置一台载荷转移机构，用于实现货物的舱内外转运。载荷转移机构安装在货物气闸舱内，具备伸缩与旋转功能，可在航天员与地面操作下，与内外舱门、机械臂协同完成货物舱内外的转运工作。17）小卫星释放机构。梦天配置一套微小卫星释放机构，利用载荷转移机构，在机械臂的协同工作下，实现微小卫星或立方星的在轨释放。梦天实验舱主要技术指标见表 1。4第 40 卷 2023 年第 5 期罗斌，等：空间站梦天实验舱总体设计与技术特点2技术特点和创新点 梦天实验舱作为我国空间站三舱 T 字基本构型的重要组成部分，系统架构上采用了三舱统一设计，在控制系统、能源系统、信息系统、热管理系统、环控生保系统等设计方面，有许多与天和核心舱、问天实验舱相同或相似的特点与创新点。此外，梦天实验舱也有许多自身的技术特点与创新点，主要体现在：1）载荷支持能力强，任务特点突出；2）首次在载人航天器上采用嵌套式总体构型和可展开式主结构设计；3）首次实现货物进出舱，首次采用弧形自动舱门技术；4）首次实现在轨可重复使用微小飞行器在轨释放技术。2.1载荷支持能力强梦天实验舱是空间站 3个舱段中载荷支持能力最强的舱段。舱内可支持 13个标准载荷机柜、舱外为载荷提供 37个试验工位，约占空间站整体载荷支持能力的 50%。舱内标准载荷机柜集中布置在舱内 C/D/E/F区域，如图 3 所示。梦天实验舱平台为每个标准载荷机柜提供 1 路 1 500 W 供电支持；载荷配置一套应用流体回路，平台通过换热器为应用流体回路提供5 000 W 的散热支持；平台配置一套真空/排气系统，为舱内机柜提供 6路真空资源、6路排气支持。真空排气系统通过阀门连接至舱外真空环境，可为载荷提供真空度0.15 Pa的真空或排气支持。表 1梦天实验舱主要技术指标Tab.1Main technology indicators of the Mengtian lab module序号123456789101112131415161718192021项目飞行轨道构型布局控制与推进供电能力测控通信密封舱环境舱内试验保障舱外试验保障空间碎片防护具体内容轨道倾角 41.37541.500初始轨道高度近地点 170 km具备在 340420 km轨道执行与核心舱前向对接口交会对接的能力总长度不超过 18 m发射总质量23 000 kg工作舱内设置自由活动通道，最大截面宽 2 m、高 2 m，为航天员提供自由活动空间26 m3姿态角测量误差0.02(3)，姿态角速度测量误差0.001/s(3)单功率通道供电能力寿命初期6 750 W采用 100 V高压供电体制上行数据传输速率10 Mb/s下行数据传输速率6002 Mb/s密封舱漏率0.045 kg/d密封舱内人活动区空气温度标称值 23，允许波动范围 1926 舱压控制在 81.3104.3 kPaO2分压 2024 kPa；CO2分压0.8 kPa舱内表面温度不低于 12，保证工作舱内不得出现因结露航天员活动区的噪声指标60 dB航天员活动区风速 0.080.50 m/s，无通风死角密封舱内为应用载荷提供 13个舱内实验机柜空间为舱内 13个实验机柜提供机、电、热、信息接口设置货物气闸功能，支持包络尺寸不大于 1 150 mm900 mm1 200 mm 的载荷在货物气闸区自动进出舱及舱内转运货物气闸舱支持在轨释放微小飞行器货物气闸舱具备泄复压能力，在泄压过程中对气闸舱内气体进行回收复用，复用率70%提供25 m2的舱外试验安装平台面积为载荷提供 37个载荷试验工位为高功耗舱外载荷提供流体回路散热支持，散热能力2 kW具有微流星体和空间碎片防护能力，15年无击穿概率（PNP）0.9具有碎片撞击检测、定位能力，能将撞击点定位在 0.5 m0.5 m范围内，定位时间2 s5第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）舱外载荷主要布置在载荷舱与资源舱。平台为舱外载荷提供 8 处固定安装工位和 29 处标准载荷适配器安装工位。29个标准载荷适配器工位，涵盖对天、对地、迎风面、被风面等多个方向，适应载荷不同位置需求；配置独立载荷流体回路，为部分标准载荷适配器提供流体回路散热支持，合计散热能力2 000 W。2.2嵌套式构型设计及可展开暴露平台梦天实验舱由 4 个舱段组成，其中载荷舱和货物气闸舱首次采用了独特的嵌套式舱体设计。货物气闸舱隐藏在载荷舱内部，与工作舱相连；载荷舱与工作舱及资源舱相连。这种特殊的构型设计优势为：1）货物气闸舱直径约 2.20 m，资源舱直径约2.65 m，载荷舱直径 4.10 m，载荷舱与资源舱相连，有利于优化整舱传力路径，保持整舱基频特性。2）货物气闸舱与载荷舱嵌套，提升了整舱的空间利用率；从货物气闸舱出舱的载荷，可以就近安装在载荷舱暴露平台上，提高作业效率。3）载荷舱包裹住货物气闸舱，起到了防护的作用，提升了综合效益。载荷舱在 I、III象限，各设计了一块展开式暴露平台，如图 4 所示，单块尺寸为 2.0 m2.5 m，面积约 5 m2，其上设置 8个标准载荷适配器，支持舱外载荷试验。暴露平台发射时处于收拢状态，作为主传力结构参与整舱结构承载；对接完成后，采用有源展开机构实现 180在轨展开，再由航天员出舱活动完成暴露平台支撑杆的最终组装工作。可展开暴露平台首次采用可展开主结构设计，也是首次有航天员参与的主结构在轨建造，攻克了大开口高刚度结构、主结构在轨组装建造设计等多个技术难点。2.3货物进出舱设计梦天实验舱首次实现了货物进出舱，将原本需要航天员出舱安装的舱外载荷或货物，改为地面遥图 3标准载荷机柜布局Fig.3Schematic diagram of a standard payload cabinet图 4展开式暴露平台Fig.4Schematic diagram of the extensible platform6第 40 卷 2023 年第 5 期罗斌，等：空间站梦天实验舱总体设计与技术特点操作自动机构配合机械臂实现完成，降低了航天员出舱活动工作负荷，提高了货物进出密封舱的效率，提升了空间站舱外载荷试验的综合应用效益。货物进出舱功能，主要由载荷转移机构、内舱门、外舱门22、泄复压支持设备组成。可支持最大包 络 尺 寸 为 1 150 mm900 mm1 200 mm，质量400 kg的货物进出舱。载荷转移机构主要用于货物的舱内外转移，具备伸缩与旋转功能；最大伸缩距离达 1 800 mm，可旋转 90。内舱门采用通径 1 250 mm1 310 mm 方形手动舱门。外舱门采用通径 1 230 mm1 250 mm 弧形自动舱门，如图 5所示。3种产品均为首次在轨使用。货物气闸舱泄压采用气体复用设计，复用率可达 70%；复压过程为防止低温结露，首次提出了分段二次回温复压方案，确保泄压的可靠性。货物进出舱过程分为航天员舱内安装、货物过闸、机械臂舱外安装、回温复压等阶段，如图 6所示。主要流程为：1）载荷转移机构伸出至工作舱，航天员舱内完成货物自检、并将货物安装至载荷转移机构23上；2）载荷转移机构缩回至货物气闸舱，旋转90朝向外舱门方向；3）航天员关闭内舱门，完成检漏；4）货物气闸舱气体复用、泄压；5）打开外舱门，载荷转移机构伸出至舱外；6）机械臂抓取载荷，并安装至舱外试验工位；7）关闭外舱门、检漏，货物气闸舱复压；8）打开内舱门，完成状态恢复。2.4微小飞行器释放设计梦天实验舱首次实现在轨可重复使用的微小飞行器释放。相较以往地面装载、在轨一次性释放微小飞行器的设计，梦天微小飞行器由航天员在轨图 5货物气闸舱外舱门 Fig.5Schematic diagram of the payload airlock cabin outer hatch图 6货物进出舱流程Fig.6Process of payload inbound and outbound transportation7第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）进行装填，需充分考虑航天员在轨操作工效学问题，给设计带来了挑战。梦天配置的微小飞行器在轨释放机构采用了模块化设计理念，由底板组合、背板组合、立方星释放机构、微卫星释放机构组成，其中底板组合与背板组合为通用模块，航天员根据任务需要选择 2 种释放机构模块进行组合，完成相应任务。航天员在轨完成释放机构组装、卫星在轨装填后，利用梦天货物进出舱功能，将释放机构+微小飞行器组合送出舱外，由机械臂抓取后，移动至指向空间站后下方 45方向进行在轨释放。释放完成后，释放机构返回舱内，实现可重复使用。微卫星释放构如图 7 所示，可支持释放尺寸1 000 mm500 mm700 mm，质量 10200 kg 的微 卫 星；释 放 初 速 度 0.28 m/s，分 离 指 向 精度2。在执行立方星释放任务时（如图 8所示），可支持 1U、1.5U、2U、3U、6U 卫星进行组合释放，一次任务最大不超过 36 U；释放初速度1 m/s。3在轨测试及任务执行情况 3.1交会对接及转位任务执行情况空间站梦天实验舱于 2022 年 10 月 31 日 15 时37分搭乘长征五号 B 遥四运载火箭，从中国海南文昌航天发射场发射升空。火箭起飞约 490 s后，船箭正常分离，初始入轨参数满足精度要求。舱箭分离18 min 后梦天实验舱太阳电池翼正常完成一次展图 7微卫星释放构型Fig.7Configuration of micro-satellite releasement图 8立方星释放构型Fig.8Configuration of cubesat releasement8第 40 卷 2023 年第 5 期罗斌，等：空间站梦天实验舱总体设计与技术特点开，展开用时约 24 min。20 时 56 分23 时 53 分，GNC 自主完成 6 次轨控，11 月 1 日 0 时 26 分，整舱转入自主控制段。1 日 4 时 20 分 52 秒对接机构捕获，4 时 27 分 31 秒对接机构对接锁锁紧完成，4 时27 分 48 秒对接过程结束。梦天实验舱对接初始条件满足指标要求，如图 912所示，交会对接过程总推进剂消耗量约为 834 kg。2022 年 11 月 3 日 7 时 12 分9 时 39 分，梦天实验舱完成了舱体转位任务，从天和实验舱前向对接口转位至象限永久停泊口。转位过程顺利完成，整个过程耗时 64.3 min，各项指标均满足要求。11 月 3 日 15 时 8 分，空间站梦天实验舱展开式暴露平台在轨正常展开到位，象限暴露平台展开时间为 176 s，象限暴露平台展开时间为 178 s，展开机构电流及控制器温度变化情况均满足指标要求，如图 1315所示。图 9交会对接过程中相对速度变化情况Fig.9Variation of the relative velocity during rendezvous and docking图 10交会对接过程中相对姿态变化情况Fig.10Variation of the relative attitude during rendezvous and docking图 11交会对接过程中相对角速度变化情况Fig.11Variation of the relative angular velocity during rendezvous and docking图 12交会对接过程中相对位置变化情况Fig.12Variation of the relative position during rendezvous and docking9第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）3.2在轨测试情况空间站梦天实验舱完成对接转位，形成组合体三舱T字形基本构型后，分别于2022年11月3日11月8 日、2022 年 11 月 19 日 11 月 24 日、2023 年1月 2日1月 4日完成了平台主要功能性能测试、机械臂爬行测试、载荷货物进出舱及微小卫星释放测试。1）平台主要功能性能测试梦天实验舱关键性能测试主要包括信息功能测试、能源功能测试、控制功能融合测试。信息功能测试完成了组合体信息网络并网测试、中继链路测试及图像话音测试，测试结果正常；能源功能测试主要包括梦天实验舱发电能力测试及组合体能源并网测试，梦天实验舱发电能力满足指标要求，并网功能正常；控制功能融合测试包括发动机融合使用测试、敏感器融合使用测试及组合体姿态测试，测试结果正常。2）机械臂测试2022 年 11 月 19 日24 日，梦天实验舱完成了机械臂适配器遍历测试、机械臂爬行测试及机械臂巡检，并对小臂靶标进行了在轨标定。测试过程中，核心舱机械臂、实验舱机械臂分别爬行至梦天实验舱外机械臂适配器，并进行加电测试。测试结果表明，梦天机械臂适配器在轨状态正常，机械臂爬行功能正常，机械臂巡检梦天舱外设备状态正常，各靶标标定值均符合指标要求。3）载荷货物进出舱及微小卫星释放测试2023 年 1 月 2 日1 月 4 日，梦天实验舱以微小卫星释放机构作为出舱载荷，完成了载荷货物进出舱功能、微小飞行器释放功能联合测试。测试过程为：航天员将立方星释放机构组装完成后，安装在载荷转移机构上；航天员关闭内舱门，完成检漏、气体复用、泄压后，地面打开外舱门；载荷转移机构携带立方星释放机构伸出舱外；机械臂抓捕并运动至预定释放位置后进行微小卫星释放功能测试；测试完成后，释放机构由机械臂安装至载荷转移机构上，返回舱内。测试过程中，货物进出舱功能测试结果正常，微小飞行器在轨释放功能正常，均满足指标要求如图 6所示。图 13暴露平台展开过程Fig.13Progress of extensible platform expanding图 14展开机构电流变化情况Fig.14Variation of the extensible platform mechanism current during extending图 15控制器温度变化情况Fig.15Variation of the platform controller temperature during extending图 16载荷货物进出舱及微小卫星释放联合测试Fig.16Joint test of payload inbound and outbound transportation and micro-satellite and cubesat releasement10第 40 卷 2023 年第 5 期罗斌，等：空间站梦天实验舱总体设计与技术特点3.3任务执行情况梦天实验舱完成主要功能性能测试后，转入日常飞控任务。截至目前，已正常保证了神舟十四号神舟十六号 3 个乘组、9 人次的在轨工作与生活。期间，共执行载荷货物进出舱任务 12 次，航天员出舱任务 5次，舱内外各类载荷均已完成开机检测，梦天实验舱对应的载荷支持功能正常，平台各项功能正常。1）舱内载荷支持情况空间站梦天实验舱发射入轨以来舱内所有实验机柜均已完成加电开机自检并正常在轨运行。2022 年 12 月 29 日和 2023 年 1 月 13 日，梦天实验舱首次完成了高温材料科学实验柜的抽真空排废气及燃烧科学实验柜的排废气工作，过程中梦天实验舱真空资源管路内余压满足要求、排气口温度范围1355，各项指标均满足设计要求，梦天实验舱抽真空排废气支持能力正常，具体情况如图 1718所示。2）舱外载荷支持情况空间站梦天实验舱发射入轨后，舱外激光时频及微波时频设备等固定安装于梦天实验舱外的实验载荷，以及形成组合体后在轨安装至载荷适配器上的舱外实验载荷均工作正常，所搭载的 2 类载荷表 2载荷货物进出舱功能测试情况Tab.2Test results of payload inbound and outbound transportation序号12345678910设备名称载荷转移机构内外舱门货物气闸舱连接盘立方星释放机构指标要求载荷转移机构 90旋转时间100 s载荷转移机构伸缩机构运动到位时间300 s位置调整机构运动到位并锁紧时间60 s外舱门打开或关闭时间420 s外舱门快检漏率10 PaL/s内舱门快检漏率10 PaL/s气体复用率70%释放机构在载荷进出舱及释放过程中适应机械臂操作能力，机械臂捕获力50 N连接盘动作时间1）解锁时间473 s2）准备时间80 s3）锁紧时间390 s立方星释放动作时间2 s飞行验证情况旋转 90时间：94.094.3 s运动行程 1 800 mm，伸缩运动单方向时间：119121 s运动行程 500 mm，伸缩运动单方向时间：49.7 s50.5 s365 s1.16 PaL/s0.251 PaL/s和 0.308 PaL/s74.49%连接盘主被动端之间的捕获容差满足机械臂定位精度要求连接盘主被动端间捕获力30 N连接盘动作时间1）解锁时间 439 s2）准备时间 67 s3）锁紧时间 374 s在轨实测值 2 s满足情况满足满足满足满足满足满足满足满足满足满足图 17抽真空管路压力变化情况（2022年 12月 29日）Fig.17Variation of the vacuuming tube pressure on December 29th，2022图 18排废气管路压力变化情况（2022年 12月 29日）Fig.18Variation of the exhausting-gas tube pressure on December 29th，202211第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）适配器载荷支持能力正常，梦天实验舱外载荷支持能力满足设计指标要求。3）载荷货物进出舱任务执行情况空间站组合体形成以来，梦天实验舱已完成多次货物进出舱任务，成功完成了包括空间站平台设备、应用载荷在内的多个货物出舱任务。这期间，载荷转移机构工作正常，货物气闸舱气闸功能正常，气体复用率及舱门漏率等各项指标均满足要求，某次载荷进出舱具体情况如图 19和图 20所示，载荷货物进出舱货物气闸舱指标满足情况见表 3。4）航天员出舱任务执行情况。空间站组合体形成以来，神舟 15、神舟 16 航天员乘组，先后于 2023年 2月 9日、4月 15日、6月 7日出舱完成了梦天实验舱的扩展泵组、载荷回路扩展泵组、暴露平台撑杆的安装及 2 台舱外全景相机的抬升工作。所有出舱工作均正常完成，设备工作正常，如图 2124所示。图 19某次载荷货物进出舱期间梦天实验舱总压变化情况（2023年 7月 6日）Fig.19Variation of the total pressure of the Mengtian lab cabin during some payload outbound transportation on July 6th，2023图 202023 年 7 月 6 日某次载荷货物进出舱期间载荷转移机构机械组件温度变化情况Fig.20Variations of the payload transfer mechanism temperature during a payload outbound transportation mission on Jul.6th，2023表 3载荷货物进出舱货物气闸舱指标满足情况Tab.3Satisfaction results of the airlock cabin indicators during the payload inbound and outbound transportation missions项目任务 1任务 7（神十五乘组期间）任务 8任务 12（神十六乘组期间）气体复用率73.8%74.5%73.6%74.1%指标70%结论合格合格图 21航天员舱外安装扩展泵组Fig.21Outboard extending pump package installed by an astronaut12第 40 卷 2023 年第 5 期罗斌，等：空间站梦天实验舱总体设计与技术特点4应用前景展望 梦天实验舱发射时，舱内搭载了航天基础试验柜、燃烧科学实验柜24-25、流体物理实验柜26、高温材料实验柜27、两相系统实验柜、高精度时频实验柜、超冷原子物理实验柜、在线维修装调等载荷试验机柜。舱外 29个标准载荷试验工位，已安装多个舱外试验载荷。目前，已按计划完成了所有舱内实验机柜的供电检查、基本功能自检，开展了两相、流体、高温、燃烧等实验机柜的部分在轨实验项目，涉及热物理、生物、力学等多个领域，取得了丰硕的成果。其余各项科学试验/实验项目按照计划正在逐步开展。后续随着实验的进展，将会获取一大批具有国际先进水平的实验成果。舱内剩余 2个机柜空间及舱外剩余标准载荷试验工位，正在工程统一安排下，面向全社会征集更多科学实验项目。未来空间站将进一步发挥其“国家太空实验室”的优势，引领航天新技术、空间科学实验等方向的发展，为中国的航天事业、人类的太空探索事业，提供强大的太空基础设施支持。5结束语 梦天实验舱作为中国空间站 T 字构型的最后一个舱段，采用独特的构型设计，载荷支持能力强，具备特有的货物进出舱、微小飞行器在轨释放功能，提升了中国空间站的综合效益。发射后，梦天实验舱完成了交会对接、转位、在轨功能测试等工作，状态正常。目前，已多次执行货物进出舱、航天员舱外活动等任务，工作正常。后续，梦天实验舱将在空间站组合体的统一管理与控制下，为航天员、应用载荷提供支持，充分发挥空间站“国家太空实验室”的能力，为航天强国建设贡献力量。参考文献1 周 建 平.我 国