空间站梦天实验舱里的“百宝箱”

  自2022年11月30日顺利进驻空间站组合体以来，神舟十五号航天员乘组已在轨工作生活两个多月，先后完成科学实验机柜解锁与测试、应用载荷货物出舱、空间站及载人飞船设备巡检等工作，并开展了一系列空间科学实（试）验。

  作为空间站工程航天技术试验领域的抓总研制单位，航天科技集团五院为空间站梦天实验舱配置了航天基础试验机柜，给各类在轨载荷提供机、电、热、信息等保障条件，支持各类试验项目在轨滚动实施，为航天新技术的创新发展提供了强大的验证平台。该机柜在轨3个多月以来，成功开展功能测试和部分载荷试验，目前产品状态良好。

  那么，航天基础试验机柜（以下简称“试验机柜”）拥有哪些超强本领呢？

为用户提供13种“私人定制”空间

  试验机柜的设计寿命为15年，配套近百台设备。考虑到空间站运营期间机柜平台能力的升级换代，试验机柜结构需满足设备在轨更换的条件，以便航天员高效快速地完成相关操作。“机柜在设计上支持在轨翻转，可为航天员在轨维护维修提供最佳操作体位，模块化的布局设计则便于机柜平台按功能分区升级优化。”航天科技集团五院空间站航天技术试验领域总体副主任设计师尹钊表示。

  试验载荷不同，对在轨试验空间的要求也多样化。为此，兼顾用户需求和模块化设计成为解决多样化需求和载荷接口标准化的最佳方式。据悉，试验机柜的结构机构子系统可提供13种试验空间，按照用户需求组合安装载荷单元，在轨实现自由匹配。“通俗地讲，就是通过‘私人定制’模块化空间，让不同类型的‘抽屉’像俄罗斯方块一样填满整个机柜。”尹钊如此描述。

  在15年的寿命期间，试验载荷需频繁在轨更替，而不同类型试验项目的在轨试验周期又差别很大。如何为试验载荷提供充足“营养”，同时又方便航天员操作呢？研制人员通过3D打印生成轻型化的螺旋电缆，在为试验载荷提供充足配电和信息支持的同时，还可以随载荷单元将人机操作界面伸出柜体，让航天员可视、可达地高效操作，堪称试验载荷的“生命脐带”。

掌控“大楼”冷暖的环境管家

  载荷试验会产生热量，这就需要热控子系统对载荷环境的温度进行管理。“如果将试验机柜比喻成一栋大楼，那么这栋大楼最多可容纳13位房客（试验载荷），而热控子系统就是这栋大楼的环境管家——别看它的体量不大，配置可不低，包括通风子系统、液冷子系统和抽真空子系统，总散热能力不小于1500瓦。”尹钊形象地比喻道。

  热控子系统为每个“房间”都配置了“中央空调”——通风子系统。“每个载荷在侧面开些较小的通风孔，背部开个较大的回风口，整个过程由载荷风机驱动，让冷风从小孔进入载荷单元内部，由回风口带出热量，进入风道汇总，最后通过气液换热器将热量传递给冷却液路带走。”尹钊解释说。每位“房客”的体质不同，如何将空调设置到适合的温度呢？原来，每个回风口上都安装了风量调节阀，具有5挡开度，可以根据“个人”体质情况调大或关小，既“因人而异”，又能合理分配有限的资源。

  假如“房客”是“高热耗载荷”，“吹空调”不能满足它的要求，怎么办？此时，液冷子系统就会准备一张“水床”（冷板），让高热耗设备“躺”在上面，通过流动的液体带走热量，舒舒服服地开展试验。液冷子系统可以为0位、1位、2位“高热耗载荷”服务，并实现载荷的在轨重构和更换。

  当某位“房客”需要在真空环境进行试验时，就要用到抽真空子系统了。通过软管和气路快断器，将试验载荷同抽真空系统连接，打开阀门后，载荷空间的气体就被排散到外太空去，简单而又实用。

提供安全、可靠的能量信息流

  为机柜本体和试验载荷提供充足能源的，是配电子系统。该系统能否正常工作，直接关系到机柜各试验装置的任务成败和航天员的操作安全。

  据尹钊介绍，为确保供电系统绝对安全，研制团队在设计配电通路时，还提供了多条供电故障模式对策，“尤其是针对整柜母线无法断电的情况，开发出指令与手动开关可同时断电的工作模式，让航天员可以手动完成整个试验机柜的紧急断电操作”。

  针对多载荷能量传输，研制团队创新设计理念，不仅满足集成化和轻量化的设计要求，大幅减少重量和体积，还提高了整个配电子系统的安全性、可靠性和灵活性。

  电连接器和线缆是试验机柜传输数据的基础。低频电缆、以太网电缆、总线电缆、螺旋电缆……针对试验机柜内复杂度极高的电缆设计，研制团队根据机柜本体结构、设备布局、空间环境等多约束条件，采用分布式配电架构和标准化电缆网设计，实现了最小代价的区域配电以及最小耦合关系的电气连接。

联动天地的中枢“神经系统”

  作为信息控制中枢，信息管理子系统搭建的“神经系统”可以控制试验机柜和试验载荷在轨正常运转。该子系统所使用的光纤通信链路，是试验机柜和外部空间应用系统的唯一数据传输通道，可谓机柜对外通信的“第一道大门”，承担着交换与打包柜内载荷数据、处理和分发上行指令数据的重任。“试验载荷在轨获取的宝贵试验数据，都是通过它来联通天地。”尹钊强调。

  信息管理子系统还配置综合管理设备，既实现了柜内4路载荷的配电和热控产品的配电、控制功能，又肩负着载荷的采集、遥测、下传、转发指令等重任。同时，该子系统配置的无线收发设备还可支持无线终端快速接入，保障舱内高速WiFi全覆盖。“针对大容量载荷数据的在轨存储，我们设计了简便易懂的文件存储架构，为载荷数据的存储与回放提供可靠技术支撑。”尹钊补充道。

  （本报北京2月9日电 本报记者 张 蕾）