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梦天实验舱

梦天实验舱

梦天实验舱（简称：梦天舱，英文名：Mengtian space lab module）是组成中国空间站基本构型的三个舱段之一，也是中国空间站第二个科学实验舱；由上海航天技术研究院抓总研制。梦天实验舱由工作舱、货物气闸舱、载荷舱、资源舱四个舱段组成，舱体全长约17.9米，直径4.2米，发射质量约23吨；主要用于开展空间科学与应用实验，参与中国空间站组合体管理，货物气闸舱可支持货物自动进出舱，为舱内外科学实验提供支持。

梦天实验舱于2022年10月31日搭乘长征五号B遥四运载火箭在中国文昌航天发射场发射升空，11月1日成功对接于天和核心舱前向端口，11月3日顺利完成转位。梦天实验舱共携带空间科学研究与应用领域的超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜、高温材料科学实验柜、两相系统实验柜、流体物理实验柜、燃烧科学实验柜、在线维修装调实验柜等7个方面的8个科学实验柜，支持开展重力掩盖下的多相流与相变传热、基础燃烧过程、材料凝固机理等物质本质规律研究以及超冷原子物理等前沿实验研究。

梦天实验舱的成功发射、对接和转位标志着中国空间站三个舱段“T”字基本构型完成。作为国家级太空实验室主力舱段，梦天实验舱将大幅度提升中国空间站在轨进行科学实验的能力，在技术开发应用、生物学、物理学等一大批前沿领域或将有新的关键性突破发现，进而推动科技发展。

研发历程

研发背景

1986年，邓小平批准实施“863”计划，计划以载人飞船开始起步，最终建成中国的空间站。1992年9月21日，中国载人航天工程正式立项，并确定按照“三步走”的战略实施。第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

2010年9月25日，中央政治局常委会议批准《载人空间站工程实施方案》，载人空间站工程正式启动实施。载人空间站工程分两个阶段实施：在2016年前后，研制并发射8吨级空间实验室，突破和掌握航天员中期驻留、再生式生命保障以及中国货运飞船补加等空间站关键技术，开展一定规模的空间应用；在2020年前后，研制并发射基本模块为20吨级舱段组合的空间站，突破和掌握近地空间站组合体的建造和运营技术、近地空间长期载人飞行技术，开展较大规模的空间应用，为经济社会发展提供先进的空间技术平台。

研发过程

2009年12月，中国科学院空间科学与应用总体部组织召开了一系列研讨会，探讨空间站的科学目标与研究方向。

2012年3月，中国空间站完成立项综合论证转入方案设计阶段，首先将空间站组合体作为一个整体进行系统方案设计，得到对各组成舱段的技术要求，然后再据此开展各舱段方案设计。

2012年5月23日，中国空间站系统相关分工定点确定，上海航天技术研究院（中国航天科技集团第八研究院）负责空间站实验舱Ⅱ总体研制工作。实验舱Ⅱ的主要任务是装载多功能光学系统，整个飞行器大约一半的空间都围绕着如何承载这套巨大的光学系统而开展设计。

2014年，历经2年研制，实验舱II攻克了结构力学设计一系列难题，就在方案设计工作接近尾声时，经过反复的工程论证，为获取更好观测效果，原本的多功能光学系统设计方案发生重大变化，光学载荷需采用独立飞行器方案，与空间站共轨飞行，实验舱II的主任务、方案设计都需要调整。研制团体用两个月的时间论证了一个新方案。新方案创新性地引入了“货物气闸”功能，通过采用嵌套式结构构型，实现了“三舱”变“四舱”的设计，增加了展开式暴露平台、自动舱门和载荷进出滑台等一系列新机构。这些新机构的引入实现了货物（载荷）在空间站上的自由进出，极大地提高了舱外载荷数量，并显著减少了航天员携带载荷出舱的次数。此外，这些新机构还提高了航天员出舱活动的工作效能，从而实现了“建站为应用”的目标。

2014年10月9日，实验舱II完成了方案转初样评审。

2019年4月23日，中国载人航天庆祝2019年“中国航天日”主题活动在北京举行，当天现场播放的载人航天宣传片显示：“问天舱和梦天舱完成了初样舱体结构生产，正在开展总装工作。长征五号B遥二运载火箭完成了初样阶段研制工作，正在进行飞行产品生产和YF-77可靠性增长试验。”

2021年4月，梦天实验舱完成初样研制转入正样研制阶段。

2022年7月，梦天实验舱在天津市完成正样热试验。整个试验过程中，梦天舱上设备和地面试验设备均工作正常，试验条件满足试验大纲规定的试验要求，完成了全部既定工况，试验数据有效，达到了试验目的，为梦天实验舱出厂奠定了坚实的基础。

命名由来

2011年4月25日，中国载人航天工程标识及中国载人空间站名称标识征集活动正式启动。

2013年10月，中国载人航天工程办公室对外正式发布中国载人航天工程标识及中国载人空间站、中国货运飞船名称，实验舱Ⅱ被命名为“中国空间站工程巡天望远镜”，代号“XT”。在评审时有专家认为，实验舱Ⅱ是专门的应用舱，十个候选名字“求索、长江、超越、指南针、天问、勇气、拓远、智慧、发现、探秘 ”并不完全贴合或不够准确。最终，鉴于实验舱II将搭载中国的天文望远镜，故将实验舱Ⅱ命名为“巡天”，该名有“巡察天际”之意，可较好体现实验舱Ⅱ进行巡天观测的喻意，同时又与实验舱Ⅰ“问天”对应。

2015年4月1日，由于设计方案的变化，实验舱II改名为梦天实验舱。

技术特点

结构组成

梦天实验舱由工作舱、货物气闸舱、载荷舱、资源舱四个舱段组成，舱体全长约17.9米，直径4.2米，发射质量约23吨。梦天实验舱密封舱容积近110立方米，可为航天员提供约32立方米活动空间。

工作舱在梦天实验舱的最前端，通过对接机构与天和核心舱相连。主要作为航天员工作与锻炼舱段，配置有抗阻锻炼设备，提供13个标准科学实验柜安装空间，主要面向微重力科学研究，可支持流体物理、材料科学、超冷原子物理等前沿实（试）验项目。

资源舱在梦天实验舱的尾端，主要为梦天实验舱提供动力，配备有发动机、推进剂。资源舱后端载有柔性太阳翼，制造材料和核心舱、问天舱的太阳翼相同，面积也和问天舱太阳翼一致，展开后单侧太阳翼长约23米，面积约138平方米。

货物气闸舱位于工作舱与资源舱的中间，采用“舱中舱”设计，在气闸舱外还套了一个更大直径的舱体——载荷舱，使梦天实验舱的体型看起来更加浑圆。货物气闸舱容积8立方米，支持载荷进出舱，配置有载荷转移机构、外舱门等设备，是货物进出舱的专用通道。载荷舱支持舱外暴露载荷实（试）验，配置有两个展开式暴露平台和一个固定式暴露平台，为载荷在轨工作提供机械接口。

基本参数

科学载荷

梦天实验舱是三舱中支持载荷能力最强的舱段，提供13个标准科学实验柜安装空间，主要面向微重力科学研究。梦天实验舱共装载了流体物理实验柜、两相系统实验柜、燃烧科学实验柜、高温材料实验柜、超冷原子实验柜、高精度时频实验柜Ⅰ、高精度时频实验柜Ⅱ、在线维修装调操作柜等7个方面的8个科学实验柜，支持开展重力掩盖下的多相流与相变传热、基础燃烧过程、材料凝固机理等物质本质规律研究以及超冷原子物理等前沿实验研究。

流体物理实验柜

流体物理实验柜主要是支持开展空间微重力环境中流体的宏观、微观运动，扩散过程的基本规律研究，以及空间材料、空间生命科学和生物技术等方向采用透明介质的实验研究。流体物理实验柜超越了国际空间站3个已有的专用流体实验柜形成的综合测试手段和能力。此外，实验柜也支持空间材料制备、空间生物过程中与流体热质输运相关的交叉性科学与技术实验研究。

两相系统实验柜

两相系统实验柜主要是支持开展空间蒸发与冷凝相变、沸腾传热、两相流动与回路系统、空间流体控制等关键科学问题与技术应用研究。两相柜科学实验系统由光学观测平台与实验工质调控等六组模块组成，整柜设计具有中国空间实验装置平台的独创性和先进性，可满足未来10年以上多相流与传热研究的空间实验需求。实验柜开展的三个首批实验项目将开展与欧洲航天局之间的国际合作研究，提高中国空间站应用研究国际影响力和应用效果。

燃烧科学实验柜

燃烧科学实验柜是能够支持在轨开展微重力燃烧基础科学研究的一套科学实验系统，由高速成像光学设备、纹影成像光学设备、弱光检测成像设备、PIV成像光学设备组成。可以帮助科学家们在燃烧基础科学问题、空天推进、航天器防火灭火、燃烧污染物控制等基础及应用技术展开深入研究。

燃烧科学实验系统将地面实验室中必要的设备全部集成于实验柜中，气体供给、点火燃烧、图像拍摄、废气排放等燃烧实验流程全自动进行；能够测量火焰形貌、结构、温度、速度、产物组分等信息。此外，燃烧科学实验系统搭载了一套粒子图像测速技术设备，实现国际上首次利用该技术在空间站环境中开展燃烧速度场测量。

高温材料实验柜

高温材料科学实验柜集材料制备加工、原位检测、实时观察于一体，支持开展金属及合金材料、无机化合物非金属材料、复合材料和其他新型特种材料的熔体生长和凝固科学实验，最高工作温度达1600度。高温材料柜采用标准化、模块化设计，由控制模块、高温炉模块、批量样品管理模块和X射线透射成像模块组成，支持模块在轨更换和升级。

超冷原子实验柜

超冷原子物理实验柜是世界领先的中国首个微重力超冷原子物理实验平台。主要是利用空间微重力环境条件，建立具有超低温、大尺度、高质量、适合精密测量的萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦凝聚态（BEC）工作物质的开放实验系统，在轨运行期间，开展诸如高温超导机理、拓扑相变、量子精密测量、标准模型的检验等重大物理问题的研究，通过这些研究期望发现新的物质态，认识新的物理规律，在系列前沿研究方向取得突破性的研究成果。

高精度时频实验柜

高精度时频实验柜是空间站中最复杂的实验柜，由2个舱内科学实验柜和4台舱外设备组成一个完整的实验系统。主要是通过不同特性原子钟组合，在空间站构建超高精度时间频率产生和运行的系统，开展基础物理理论检验，并支持通过微波和激光传递链路向地面提供超高精度时间频率信号。

在线维修装调操作柜

在线维修装调操作柜主要是支持舱内科学实验与技术试验的精细机械操作、结构和电子学装配、机构润滑等操作及试验验证，并支持开展空间机器人和遥科学技术试验。在线维修装调操作柜有一套基于增强现实技术的智能诱导维修系统，在天上的时候，航天员如果需要维修操作一些复杂的设备，可以不再使用传统的说明书、操作手册等产品，而是选择戴上增强现实眼镜，配合诱导维修软件的指引，在真实的待操作产品上叠加预先制作好的操作指引动画，使航天员能够更轻松、更清晰、更直观地了解操作过程，并完成操作。

技术创新

柔性太阳翼

随着空间站更多科学实验任务的开展，空间站载荷供电需求也成倍增加。因此，梦天实验舱与问天实验舱同配置、同发力，也拥有单侧长达27米、可展开面积近138平方米的柔性太阳翼。中国空间站基本构型组装完成后，两个实验舱配置的四副太阳翼，让空间站日发电量可达近1000度。

飞行器在轨释放

梦天实验舱具备微小飞行器在轨释放的能力，将作为开放合作平台进一步增强空间站的综合应用效益。梦天实验舱上专门配置了微小飞行器在轨释放机构，能够满足百公斤级微小飞行器或者多个规格立方星的在轨释放需求，解决微卫星和立方星低成本进入太空的问题。航天员只需在舱内把立方星或微卫星填装到释放机构内部，释放机构即可搭乘载荷转移机构将小卫星运送至舱外。出舱后，机械臂抓取释放机构，运动到指定的释放方向，释放机构就会像弹弓一样，把小卫星弹射出去，实现在轨“放卫星”。

载荷自动进出舱

载荷转移机构

以往在舱外开展科学试验，需要航天员出舱进行安装作业，但这种方式会受到航天员出舱次数、载荷数量与大小的限制。梦天实验舱内配置了一台载荷转移机构，可以稳定地执行将货物从舱内送出舱外，或将舱外货物运至舱内的任务。该机构的运送能力能达到400公斤、单次运送货物包络可以达到1.15米×1.2米×0.9米。通过使用这一机构，可以提高空间站进行舱外载荷实验的能力和效率，同时减轻航天员的工作负担，使得他们可以更加专注于开展科学实验活动。

电动舱门

为了满足未来更大尺寸、更大重量货物的进出舱需求，梦天实验舱的货物气闸舱上安装了一款独特的方形电动舱门，宽度达1.2米。这款全自动弧形滑移设计的舱门可以为货物进出舱提供宽敞的通道，并且也是隔离舱内与舱外环境的关键设备。

梦天实验舱的方形电动舱门由中国航天科技集团有限公司第五研究院研制，是空间站各舱门中研制难度最大、周期最长的舱门。与传统舱门不同，电动舱门首次采用方形、曲面密封结构，需要解决大尺寸曲面密封结构精度要求更高、门体各处的壁厚尺寸差异性更大等一系列加工难题。针对门体各处的壁厚尺寸差异性的难点，制造团队设计了柔性自适应刀具，最终实现了大尺寸曲面密封结构高精度轮廓加工，攻克了加工过程的难题。

在电动舱门里有一根特殊的“绳子”，它是实现舱门开关的重要部分。这根“绳子”是一种具有极高强度的非金属绳，在相同重量下，它的拉伸强度是生活中普通钢丝的6倍。为了使其在“不紧绷”“不松弛”的状态下准确拉动舱门运动，制造团队经过多轮迭代修正，最终实现了双层联动绳系的精确控制和安装，使驱动组件电机的正转、反转均能对舱门施加作用力，顺利实现了舱门自动开闭的功能。

不同于生活中的平面构型的门框，电动舱门的门框是在一个圆柱面上，需要精准把握关闭力度才能够满足舱体内的密封要求，同时又要确保开启时顺畅无卡顿。这就需要严格控制舱门密封圈的压缩率，保证其受力均匀一致。为此，制造团队通过数据仿真分析，提出方案解决了难题。

在地面上装配完成后，电动舱门还需要验证太空中零重力环境下的开关运行情况。为了模拟舱门处于零重力的状态，需要将它的重力平衡掉，从而验证太空环境中的开闭状态和密封状态。为此，制造团队创新设计了空间微重力试验装置，并提出了无线传输的可视化检测方法，在关门状态下，也可以实现舱内状态可视化的监测和数据连续传递统计。

仪表计算机应用软件

当梦天实验舱仪表计算机开机后，实验舱仪表计算机应用软件就正式开始自主运行。仪表计算机应用软件是实验舱仪表数据处理中枢系统，承担着实验舱仪表与照明分系统内部和外部数据信息处理的功能。此次仪表计算机应用软件在继承成熟产品的基础上，增加了与空间站天和核心舱及问天实验舱的数据交互功能，可以满足空间站梦天实验舱、天和核心舱、问天实验舱三舱之间超大数据量的交互。

任务经过

准备工作

2022年7月30日，梦天实验舱搭乘轮船从天津港启程，于2022年8月6日运抵海南文昌发射基地。

2022年9月3日，据中国载人航天工程办公室消息：“执行梦天实验舱发射任务的长征五号B遥四运载火箭已完成出厂前所有研制工作，于近日安全运抵文昌航天发射场。之后，长征五号B遥四运载火箭将与先期已运抵的梦天实验舱一起按计划开展发射场区总装和测试工作。”

2022年10月9日，梦天实验舱按计划完成了推进剂加注。

2022年10月25日，梦天实验舱与长征五号B遥四运载火箭组合体转运至发射区。

2022年10月29日，中国空间站梦天实验舱任务组织发射前系统间全区合练。

发射升空

2022年10月31日15时37分，梦天实验舱由长征五号B遥四运载火箭在文昌航天发射场发射升空，约8分钟后，梦天实验舱与火箭成功分离并准确进入预定轨道，发射任务取得圆满成功。

在轨活动

2022年11月1日4时27分，梦天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口，整个交会对接过程历时约13小时。梦天实验舱与问天实验舱的大小相似，但在交会对接过程中面临了更大的挑战。首先，梦天实验舱入轨后太阳与轨道夹角较大，太阳帆板发电能力弱，能源紧缺。如果不能在规定的时间内完成交会对接，就需要中断自主交会对接过程，紧急调整梦天实验舱的姿态，使其连续对日定向来保证能源的供应。其次，梦天实验舱交会对接时，空间站组合体是“L”字形的非对称构型，增加了空间站在轨姿态控制的难度。此外，当梦天实验舱接近空间站组合体时需要开启反推发动机减速，但发动机的羽流会干扰空间站组合体的姿态，这也使得本次对接更加困难。最终，通过梦天实验舱制导导航与控制系统的精准识别实验舱和组合体的相对距离及相对姿态，一点点接近，实现了高精度交会对接。

2022年11月3日9时32分，梦天实验舱顺利完成转位。转位期间，梦天实验舱先完成相关状态设置，再与空间站组合体分离，之后采用平面转位方式经约一小时完成转位，与天和核心舱节点舱侧向端口再次对接。梦天实验舱转位完成标志着中国空间站“T”字基本构型在轨组装完成，向着建成空间站的目标迈出了关键一步。

2022年11月3日15时12分，神舟十四号航天员乘组进入梦天实验舱。

2023年2月10日0时16分，神舟十五号飞行乘组完成首次出舱活动，整个出舱活动约7小时。费俊龙、张陆执行舱外任务，邓清明在舱内进行支持。费俊龙、张陆首先完成了梦天舱扩展泵组的安装工作，之后费俊龙通过大小机械臂组合臂开始进行转移，张陆借助舱外扶手进行自主转移，陆续完成了脚限位器安装等一系列任务。这是中国空间站全面建成后航天员的首次出舱活动。

2023年2月16日，梦天舱燃烧科学实验柜成功执行首次在轨点火测试，高速相机下传的实验画面清晰展现了火焰形貌。

主要成果

2023年2月16日，梦天舱燃烧科学实验柜成功执行首次在轨点火测试，此次点火实验采用甲烷作为燃料，先后两次点火共持续约30秒，高速相机下传的实验画面清晰展现了甲预混火焰（内圆锥状火焰）受扩散火焰包围的形貌。此次点火成功，验证了空间站燃烧科学实验系统功能的完备性以及整体实验流程的准确性与科学性，为后续空间科学燃烧实验项目打下良好基础。