問天實驗艙

自20世紀70年代載人空間站問世以來，作為一種可供多名航天員巡訪、長期居住和工作的大型航天器，空間站建造受到各世界航天強國的重視。空間站主要特點是體積大、壽命長、功能強，可長期有人照料，大規模開發太空資源；但其不能天地往返，需用載人飛船或航天飛機等天地往返運輸器把人和貨物送上或接回。空間站具有自主補給消耗品、檢修和更換設備的能力，以及變更和擴大其功能的性質。空間站先入軌後上人的特徵，既提高了安全保障，又簡化了研製過程，應用前景廣闊。由於可在軌補給，因此空間站工作壽命很長，通常為5~15年，甚至更長。空間站在軌長期飛行期間，站內儀器和設備可根據任務需要由航天員隨時更換。儀器出現故障時航天員也能就地維修 ^[44]  。

2019年，中國根據建造空間站的任務規劃公佈，將空間站工程分為關鍵技術驗證，建造和運營三個階段實施，其中關鍵技術驗證階段安排長征五號B運載火箭首飛、天和核心艙、神舟飛船、天舟飛船等6次飛行任務；建造階段安排了問天實驗艙、夢天實驗艙、神舟飛船、天舟飛船等6次飛行任務 ^[45]  。

中國空間站命名為“天宮”，具有中國特色和時代特徵。空間站總體方案優化，通過交會對接和轉位組裝的基本構型包括天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙，每個艙段規模20噸級。空間站在軌運行期間，由神舟載人飛船提供乘員運輸，由天舟貨運飛船提供補給支持。空間站設計壽命10年，可根據需要，通過維護維修進一步延長壽命。額定乘員3人，乘組輪換期間短期可達6人 ^[45]  。

截至2019年4月24日，問天艙和夢天艙完成了初樣艙體結構生產。

2020年5月5日，中國載人空間站工程研製的長征五號B運載火箭，搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙，在文昌航天發射場點火升空將載荷組合體成功送入預定軌道，拉開中國載人航天工程“第三步”任務序幕。同時，中國空間站核心艙已完成正樣產品總裝，問天實驗艙和夢天實驗艙初樣研製繼續進行 ^[1]  。

2020年12月，問天實驗艙完成初樣研製轉入正樣研製階段。隨後在天和核心艙出廠前和問天實驗艙出廠前各開展了一次三艙聯試試驗 ^[53]  。

2021年5月18日，據中國載人航天辦公室介紹，將在兩年時間內建成以核心艙為控制中心，問天實驗艙為主要實驗平台，常年有人照料的空間站 ^[2]  。5月29日，執行問天實驗艙發射任務的長征五號B遙三運載火箭已完成出廠前所有研製工作，於當日安全運抵文昌航天發射場 ^[4]  。

2022年7月4日下午，北京航天飛行控制中心對空間站組合體發出調相指令，軌道控制完成後空間站組合體將做好迎接問天實驗艙發射對接準備，中國空間站首次在有人的狀態下迎接航天器來訪 ^[6]  。

2022年7月18日，問天實驗艙與長征五號B遙三運載火箭組合體已轉運至發射區 ^[7-8]  。7月22日，中國空間站問天實驗艙任務組織發射前系統間全區合練 ^[10]  。

2022年7月24日，長征五號B遙三運載火箭已完成推進劑加註 ^[11-14]  。

問天實驗艙包括工作艙、氣閘艙、資源艙三部分，艙體軸向長度為17.9米，艙體最大直徑4.2米，艙外配置小機械臂。在氣閘艙和資源艙外佈設艙外實驗平台，用於安裝艙外實（試）驗載荷。尾部採用桁架結構，安裝雙自由度太陽池翼及其驅動機構 ^[47]  。

問天實驗艙配置了與核心艙一樣的航天員生活設施，艙內包括3個睡眠區、1個衞生區和廚房等設施，可以保障航天員生活。它還可以與核心艙一起來支持兩艘載人飛船輪換期間6名航天員的生活；同時，艙外配置了一個小型的機械臂，既可以單獨使用，也可以跟核心艙的大機械臂組合使用，共同完成航天員的出艙、艙外設施照料、巡檢等任務；另外，在問天實驗艙還配置了航天員出艙氣閘艙，空間站建成以後，問天實驗艙的氣閘艙將作為航天員主用的出艙活動氣閘艙，以便核心艙的節點艙用於其他功能，只是作為備份；問天實驗艙還具備核心艙對於組合體管理控制功能的備份艙段。即當天和核心艙平台的功能出現故障的時候，可以切換至問天實驗艙行使組合體控制和管理功能，從而可以整體上提高中國空間站的可靠性 ^[43]  。

問天實驗艙軸向全長17.9米（相當於6層樓房高度），這一長度超越了國際空間站的任意艙段，比之天和一號核心艙16.6米的軸向長度還要長1.3米，該艙段與夢天實驗艙同為當今世界軸向長度最長的單體載人航天器。

問天實驗艙末端短桁架是一個非常巧妙的設計，它與國際空間站桁架用於太陽翼安裝目的相同，同時利用問天艙與夢天艙對置佈局形成的近40米橫向跨度，起到類似國際空間站桁架結構的作用，使得太陽翼有效化解了相互遮擋的難題。短桁架末端還可以用於核心艙太陽翼的轉位安裝，從而最大限度提高天宮空間站太陽翼整體受曬率，進而提高空間站整站三艙的發供電能力 ^{[3]  [39-40]}  。

問天實驗艙發射採用的長征五號B遙三運載火箭，是在長征五號基礎上，為滿足中國載人空間站工程需求，即發射空間站天和核心艙和兩個實驗艙，按“通用化、系列化、組合化”設計思想研製的一款新型大型運載火箭。火箭全長約53.7米，構型上採用一級半構型，由直徑5米的芯一級+4個直徑3.35米的助推器+艙罩組合體組成，其採用的少級數設計理念和箭地接口的零秒連接器等技術，有效提升了火箭的固有可靠性和安全性；長征五號B火箭整流罩長20.5米、直徑5.2米，是中國現役有效載荷容積最大的火箭整流罩，能更好地滿足空間站艙段發射任務需要；該火箭採用無毒無污染的液氧、液氫和煤油作為推進劑，起飛重量約849噸，近地軌道運載能力大於22噸，是中國現役近地軌道運載能力最大的運載火箭 ^[49]  。

問天實驗艙發射任務也是長五系列火箭首次執行零窗口發射，對於中國大型低温火箭而言，執行分秒必爭的發射任務面臨着諸多困難。零窗口發射任務要求長五B火箭必須在規定時間裏分秒不差地發射，否則將無法把問天實驗艙送達指定位置，進而需要耗費巨大代價調整軌道，甚至導致發射終止。針對本次發射任務“零窗口”的挑戰，海南文昌發射場優化了發射前10分鐘的準備流程。發射場系統認真修編緊急關機、推遲發射、推進劑泄回等發射前關鍵預案，細化落實陣地級、系統級、崗位級共一千餘項預案，以支撐發射前的科學決策，實現準時發射、安全發射、成功發射。

而為了確保萬無一失，長五B火箭試驗隊創新性的設計了一種“起飛時間修正技術”。該技術可以讓火箭的控制系統自動計算偏差、調整目標軌道，即便火箭沒能完全按照預定時間發射，在預定發射時間後的2分30秒內進行發射，火箭都能通過後期的軌道修正精準完成入軌和交會對接。這相當於用技術創新將發射窗口從“0”擴寬至“2分30秒” ^[42]  。

北京時間2022年7月24日14時22分，搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭，在中國文昌航天發射場點火發射，發射取得圓滿成功。

這是中國載人航天工程立項實施以來的第24次飛行任務。

後續，問天實驗艙將按照預定程序與空間站組合體進行交會對接，神舟十四號航天員乘組將進入問天實驗艙開展工作。在軌2個月後，問天實驗艙將實施轉位，與天和核心艙形成“L”構型，靜待夢天實驗艙的到來。 ^[17] 

執行此次發射任務的運載火箭及問天實驗艙，分別由中國航天科技集團有限公司所屬的中國運載火箭技術研究院和中國空間技術研究院抓總研製 ^[15-16]  。

北京時間2022年7月25日3時13分，問天實驗艙成功對接於天和核心艙前向端口，整個交會對接過程歷時約13小時 ^[19]  。

2022年7月25日10時03分，神舟十四號航天員乘組成功開啓問天實驗艙艙門，順利進入問天實驗艙 ^[20]  。

2022年8月2日消息，隨問天實驗艙上行的小機械臂成功完成一系列在軌功能、性能測試，各項指標均表現優異，達到了預期效果 ^[23]  。

截至2022年8月16日，神舟十四號航天員乘組已經完成了在軌科學實驗機櫃解鎖與安裝、問天艙內生活區設置等工作。此外，航天員的出艙主通道——問天實驗艙氣閘艙也首次亮相 ^[25]  。

2022年8月，神舟十四號航天員乘組完成問天實驗艙內“環控生保系統”在軌組裝設備的安裝和測試工作 ^[26]  。

2022年9月1日，神舟十四號航天員乘組進行首次出艙活動，18時26分，航天員陳冬打開問天實驗艙氣閘艙艙門。後續，陳冬、劉洋在艙外作業，蔡旭哲在核心艙內配合支持，共同完成問天實驗艙擴展泵組安裝、問天實驗艙全景相機抬升等各項既定任務 ^[27]  。

北京時間2022年9月2日0時33分，經過約6小時的出艙活動，神舟十四號航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲密切協同，完成出艙活動期間全部既定任務，陳冬、劉洋已安全返回問天實驗艙，出艙活動取得圓滿成功。此次是航天員首次從問天實驗艙氣閘艙出艙、由小機械臂輔助實施的出艙活動。航天員出艙活動期間，天地間周密協同、艙內外密切配合，先後完成了問天艙擴展泵組安裝、問天艙全景相機抬升、艙外自主應急返回驗證等任務，全過程順利圓滿，檢驗了航天員與小機械臂協同工作的能力，驗證了問天實驗艙氣閘艙和出艙活動相關支持設備的功能性能 ^[28]  。

2022年9月17日13時35分，航天員蔡旭哲成功開啓問天實驗艙氣閘艙出艙艙門，實施神舟十四號乘組第二次出艙活動。本次出艙活動有兩個“首次”，分別是首次安裝問天氣閘艙艙外助力手柄，以及首次進行艙外救援驗證。 ^{[29]  [32]} 

北京時間2022年9月17日13時35分，航天員蔡旭哲成功開啓問天實驗艙氣閘艙出艙艙門。至15時33分，航天員蔡旭哲、航天員陳冬先後成功出艙。兩名出艙航天員已完成安裝腳限位器和艙外工作台等工作，後續將在小機械臂的支持下，相互配合開展艙外助力手柄安裝、載荷迴路擴展泵組安裝、艙外救援驗證等作業。航天員劉洋在核心艙內配合支持兩名出艙航天員開展艙外操作。這是航天員蔡旭哲首次執行出艙活動任務。 ^[30] 

北京時間2022年9月17日17時47分，經過約5小時的出艙活動，神舟十四號航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲密切協同，完成出艙活動期間全部既定任務，航天員陳冬、航天員蔡旭哲已安全返回問天實驗艙，出艙活動取得成功 ^[31]  。

北京時間2022年9月30日12時44分，經過約1小時的天地協同，問天實驗艙完成轉位。轉位期間，問天實驗艙首先完成相關狀態設置，而後與天和核心艙分離，之後採用平面轉位方式完成轉位，並與節點艙側向端口再對接 ^[33]  。

2022年10月12日，“天宮課堂”第三課在中國空間站開講，神舟十四號飛行乘組3名新晉“太空教師”為廣大青少年帶來一場精彩的太空科普課，這是航天員首次在問天實驗艙內進行授課。 ^[37] 

2022年11月3日，隨着空間站夢天實驗艙順利完成轉位，由航天科技集團五院（以下簡稱五院）抓總研製的中國空間站天和核心艙、問天實驗艙與其相擁形成T字基本構型 ^[36]  。

中國空間站未來將形成“三艙三船”構型，其中的“三艙”包括：天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙 ^[38]  。

2023年3月2日消息，近日，神舟十五號飛行乘組進行了第二次出艙活動。在地面工作人員和艙內航天員鄧清明的密切配合下，兩名出艙航天員費俊龍、張陸圓滿完成全部既定工作任務，安全返回問天實驗艙。“圓夢乘組”入駐空間站三個月來，先後進行了2次出艙活動，開展了持續的載人環境維護照料，完成了問天實驗艙和夢天實驗艙多個科學實驗機櫃組裝測試，同時還配合完成了多次空間站貨物出艙任務。 ^[54] 

北京時間2023年7月20日21時40分，經過約8小時的出艙活動，神舟十六號航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮密切協同，在空間站機械臂支持下，圓滿完成出艙活動全部既定任務，航天員景海鵬、朱楊柱已安全返回空間站問天實驗艙，出艙活動取得圓滿成功。航天員出艙活動期間，完成了核心艙全景相機B在軌支架安裝及抬升、夢天艙全景相機A和B解鎖及抬升等任務，全過程順利圓滿。四度飛天的航天員景海鵬從神舟七號時艙內配合到此次出艙活動，用15年的執着堅守圓了“太空漫步”的夢想；航天員朱楊柱成為我國首個出艙活動的航天飛行工程師。根據計劃，後續，航天員乘組還將開展大量空間科學實（試）驗，參與完成多次應用載荷出艙安裝任務。 ^[55] 

問天實驗艙主要任務是在軌完成與天和核心艙交會對接、艙段轉位和停泊，並作為天和核心艙能源管理系統、信息管理系統、控制系統和載人環境系統等關鍵平台功能的備份，具備對中國空間站組合體進行統一管理與控制的能力，保障航天員在軌長期駐留，提供專用氣閘艙和應急避難場所，保證航天員安全，為開展密封艙內和艙外空間科學實驗和技術試驗提供保障條件 ^[47]  。

問天實驗艙主要面向空間生命科學研究，配置了生命生態、生物技術和變重力科學等實驗櫃，能夠支持開展多種類植物、動物、微生物等在空間條件下的響應機理研究，以及密閉生態系統的實驗研究，可支持分子、細胞、組織、器官等多層次生物實驗研究，並可開展不同重力條件下生物體生長機理的對比研究 ^[5]  。

問天實驗艙的任務以生命科學和生物技術研究為主，在空間生命科學與生物技術、微重力流體物理、空間材料科學、空間應用新技術試驗等四個研究方向上規劃部署了十餘個研究主題，已立項四十餘項科學項目，空間站建成後將持續論證、滾動實施相關科學試驗項目 ^[34]  。

為保證科學任務順利開展，不斷產出科學成果，空間應用系統在問天實驗艙部署了生命生態實驗櫃、生物技術實驗櫃、科學手套箱與低温存儲櫃、變重力科學實驗櫃等科學實驗設施，配置了艙內外應用任務共用支持設備，聯合支持科學項目在軌全任務鏈實施 ^[34]  。

2022年中國空間站將完成建造，成為國家太空實驗室，將持續滾動開展大規模的空間科學實驗與技術試驗，有望在宇宙起源演化、物質本質規律、人類太空長期生存等重大前沿科學問題上取得重大發現和科學突破；預期突破和掌握高精度時頻系統、太空智能製造、新一代信息、新材料製備等自主可控的關鍵核心技術，有力推動生物、能源、醫藥、材料、信息等產業發展，為解決國家重大戰略需和經濟社會發展做出獨特貢獻 ^[34]  。

生命生態實驗櫃以多種類型的生物個體（如植物種子、幼苗、植株、兼顧小型動物）為實驗樣品，開展擬南芥、線蟲、果蠅、斑馬魚等動植物的空間生長實驗，揭示微重力對生物個體生長、發育、代謝的影響，促進人類對生命現象本質的理解，研究空間輻射生物學和亞磁生物學效應與機制，探索建立應用型受控生命生態系統，為航天員在軌輻射損傷評估、防護提供科學依據。 ^[34]  截至12月2日，已收到空間站發回的微重力環境中生長的擬南芥圖像。 ^[41] 

生物技術實驗櫃以組織、細胞和生化分子等不同層次多類別生物樣品為對象，開展細胞組織培養、空間蛋白質結晶與分析、蛋白與核酸共起源和空間生物力學等實驗，探索微重力環境下細胞生長和分化規律和機制，為人類健康、生殖發育提供理論基礎；探索重力效應對生命起源和進化影響；在高效蛋白質/多肽藥物、納米晶骨骼生物技術等方面取得突破性發現，對指導組織工程、生物醫藥的研究和應用發揮重要作用。 ^[34] 

科學手套箱提供潔淨密閉空間和温濕度環境控制，配置靈巧機械臂具備細胞級精細操作能力；手套箱為航天員操作多學科實驗樣品提供安全、高效支持。低温存儲裝置具有三個典型低温存儲温區（-80℃、-20℃、+4℃），能夠滿足不同實驗樣品低温存儲需求。 ^[34] 

變重力科學實驗櫃為科學實驗提供0.01g至2g高精度模擬重力環境，採用先進的無線傳能和載波通信技術，支持開展微重力、模擬月球重力、火星重力等不同重力水平下的複雜流體物理、顆粒物質運動等科學研究。 ^[34] 

在艙外空間應用系統部署了能量粒子探測器、等離子體原位成像探測器，用於獲取空間質子、電子、中子、重離子和等離子體等環境要素數據，為航天員健康、空間站安全運營提供保障支持，並可用於空間環境基礎研究。 ^[34] 

問天實驗艙配置了比天和核心艙更大的柔性太陽帆板，每天平均發電量超過430度，能夠為空間站運行提供充足能源。空間站在軌建造完成後，核心艙的一個太陽帆板將轉移至問天實驗艙資源艙尾部，成為名副其實的“主發電站”。屆時，問天實驗艙的3條能源母線將發揮更大的作用，為組合體源源不斷地供電送能 ^[22]  。

氣閘艙外部看上去像方形的外殼，是艙外暴露實驗平台，上面配置了22個標準載荷接口，其中一部分還配備了流體迴路温度控制 ^[22]  。

氣閘艙內部圓柱狀的部分，是航天員開展出艙活動時的“更衣間”——出艙氣閘，航天員可在此換上“飛天戰袍”進行艙外作業。與核心艙節點艙相比，氣閘艙的空間更大，航天員在這裏進行出艙準備和艙外返回時，可以更舒展、更從容，未來它將成為整個空間站系統的主要出艙通道 ^[22]  。

此外，出艙氣閘還有一個直徑達1米的大門，使航天員不但進出方便，而且還能攜帶大個頭的設備出艙工作，艙外工作能力大大提升 ^[22]  。

作為空間站“明星”部件之一，相比於核心艙配備的大機械臂，小機械臂更加精巧，採用了7自由度對稱構型，兩端各有一個末端作用器；其臂長近6米，有效操作空間約5米，最大負載3噸；可單獨使用，也可與大機械臂形成組合機械臂；支持航天員出艙活動、艙外狀態檢查、艙外貨物轉移及安裝、艙外維護維修、載荷照料、光學設施維護等6項應用任務 ^[23]  。

問天實驗艙在正常情況下，並不採用天和核心艙的大機械臂，而是採用轉位機構機械臂。轉位機構的轉臂（機械臂）安裝在問天實驗艙對接面附近，支座安裝在核心艙節點艙兩側，二者通過錐形捕獲機構連接 ^[35]  。

轉位前需要完成準備工作有兩個步驟：首先位於問天實驗艙的轉位機構機械臂旋轉並捕獲核心艙上的支座，鎖緊完成後兩者建立剛性連接；第二步問天實驗艙對接機構與核心艙節點艙前向口的對接機構解鎖，實現兩艙分離 ^[35]  。

整個轉位過程由位於問天實驗艙的轉位機構機械臂，以及位於核心艙節點艙的旋轉支座共同完成，一共需要三次旋轉。第一次：轉位機構機械臂繞其根部向上旋轉，帶動問天實驗艙轉動至節點艙前向口斜上方；第二次：旋轉支座繞其中心轉動，帶動問天實驗艙轉動至節點艙VI象限停泊口斜上方；第三次：轉位機構機械臂繞其根部向下旋轉，帶動問天實驗艙轉動至VI象限停泊口附近。在確認位置誤差滿足要求後，問天實驗艙對接機構推出，與節點艙VI象限停泊口完成對接並鎖緊。之後，轉位機構機械臂與旋轉支座解鎖、分離後復位 ^[35]  。

2014年1月10日，中國“載人航天空間交會對接工程”被授予國家科技進步特等獎 ^[44]  。

2022年5月30日，問天實驗艙飛行任務標識發佈 ^{[9]  [24]}  。

2022年7月24日，為紀念中國空間站問天實驗艙飛行任務，中國集郵有限公司特別發行《中國空間站問天實驗艙發射成功紀念封》 ^[48]  。

問天實驗艙作為中國空間站的一個主艙段，是全世界現役在軌最重的單艙主動飛行器。

問天實驗艙不僅體量大，在功能上也十分強大。問天實驗艙與中國空間站天和核心艙互為備份，集平台功能與試驗載荷功能於一體。不僅裝載有8個實驗機櫃、22個艙外載荷適配器，相當於把一個大型科學實驗室搬到了太空。還在艙內設有3個睡眠區和1個衞生區。在迎來問天實驗艙之後，中國空間站“牀位”數達到6個。這也為後續神舟十五號載人飛船發射後，神舟十四號、神舟十五號兩個乘組、6名航天員實現“太空會師”，空間站“滿客”運行創造了條件 ^[42]  。（《人民日報》 評）