作為空間站工程航天技術(shù)試驗領(lǐng)域的抓總研制單位，航天科技集團(tuán)五院為空間站夢天實驗艙配置了航天基礎(chǔ)試驗機(jī)柜，給各類在軌載荷提供機(jī)、電、熱、信息等保障條件，支持各類試驗項目在軌滾動實施，為航天新技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供了強(qiáng)大的驗證平臺。該機(jī)柜在軌3個多月以來，成功開展功能測試和部分載荷試驗，目前產(chǎn)品狀態(tài)良好。
那么，航天基礎(chǔ)試驗機(jī)柜(以下簡稱“試驗機(jī)柜”)擁有哪些超強(qiáng)本領(lǐng)呢？
為用戶提供13種“私人定制”空間
試驗機(jī)柜的設(shè)計壽命為15年，配套近百臺設(shè)備。考慮到空間站運(yùn)營期間機(jī)柜平臺能力的升級換代，試驗機(jī)柜結(jié)構(gòu)需滿足設(shè)備在軌更換的條件，以便航天員高效快速地完成相關(guān)操作。“機(jī)柜在設(shè)計上支持在軌翻轉(zhuǎn)，可為航天員在軌維護(hù)維修提供最佳操作體位，模塊化的布局設(shè)計則便于機(jī)柜平臺按功能分區(qū)升級優(yōu)化。”航天科技集團(tuán)五院空間站航天技術(shù)試驗領(lǐng)域總體副主任設(shè)計師尹釗表示。
試驗載荷不同，對在軌試驗空間的要求也多樣化。為此，兼顧用戶需求和模塊化設(shè)計成為解決多樣化需求和載荷接口標(biāo)準(zhǔn)化的最佳方式。據(jù)悉，試驗機(jī)柜的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)可提供13種試驗空間，按照用戶需求組合安裝載荷單元，在軌實現(xiàn)自由匹配。“通俗地講，就是通過‘私人定制’模塊化空間，讓不同類型的‘抽屜’像俄羅斯方塊一樣填滿整個機(jī)柜。”尹釗如此描述。
在15年的壽命期間，試驗載荷需頻繁在軌更替，而不同類型試驗項目的在軌試驗周期又差別很大。如何為試驗載荷提供充足“營養(yǎng)”，同時又方便航天員操作呢？研制人員通過3D打印生成輕型化的螺旋電纜，在為試驗載荷提供充足配電和信息支持的同時，還可以隨載荷單元將人機(jī)操作界面伸出柜體，讓航天員可視、可達(dá)地高效操作，堪稱試驗載荷的“生命臍帶”。
掌控“大樓”冷暖的環(huán)境管家
載荷試驗會產(chǎn)生熱量，這就需要熱控子系統(tǒng)對載荷環(huán)境的溫度進(jìn)行管理。“如果將試驗機(jī)柜比喻成一棟大樓，那么這棟大樓最多可容納13位房客(試驗載荷)，而熱控子系統(tǒng)就是這棟大樓的環(huán)境管家——別看它的體量不大，配置可不低，包括通風(fēng)子系統(tǒng)、液冷子系統(tǒng)和抽真空子系統(tǒng)，總散熱能力不小于1500瓦。”尹釗形象地比喻道。
熱控子系統(tǒng)為每個“房間”都配置了“中央空調(diào)”——通風(fēng)子系統(tǒng)。“每個載荷在側(cè)面開些較小的通風(fēng)孔，背部開個較大的回風(fēng)口，整個過程由載荷風(fēng)機(jī)驅(qū)動，讓冷風(fēng)從小孔進(jìn)入載荷單元內(nèi)部，由回風(fēng)口帶出熱量，進(jìn)入風(fēng)道匯總，最后通過氣液換熱器將熱量傳遞給冷卻液路帶走。”尹釗解釋說。每位“房客”的體質(zhì)不同，如何將空調(diào)設(shè)置到適合的溫度呢？原來，每個回風(fēng)口上都安裝了風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，具有5擋開度，可以根據(jù)“個人”體質(zhì)情況調(diào)大或關(guān)小，既“因人而異”，又能合理分配有限的資源。
假如“房客”是“高熱耗載荷”，“吹空調(diào)”不能滿足它的要求，怎么辦？此時，液冷子系統(tǒng)就會準(zhǔn)備一張“水床”(冷板)，讓高熱耗設(shè)備“躺”在上面，通過流動的液體帶走熱量，舒舒服服地開展試驗。液冷子系統(tǒng)可以為0位、1位、2位“高熱耗載荷”服務(wù)，并實現(xiàn)載荷的在軌重構(gòu)和更換。
當(dāng)某位“房客”需要在真空環(huán)境進(jìn)行試驗時，就要用到抽真空子系統(tǒng)了。通過軟管和氣路快斷器，將試驗載荷同抽真空系統(tǒng)連接，打開閥門后，載荷空間的氣體就被排散到外太空去，簡單而又實用。
提供安全、可靠的能量信息流
為機(jī)柜本體和試驗載荷提供充足能源的，是配電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)能否正常工作，直接關(guān)系到機(jī)柜各試驗裝置的任務(wù)成敗和航天員的操作安全。
據(jù)尹釗介紹，為確保供電系統(tǒng)絕對安全，研制團(tuán)隊在設(shè)計配電通路時，還提供了多條供電故障模式對策，“尤其是針對整柜母線無法斷電的情況，開發(fā)出指令與手動開關(guān)可同時斷電的工作模式，讓航天員可以手動完成整個試驗機(jī)柜的緊急斷電操作”。
針對多載荷能量傳輸，研制團(tuán)隊創(chuàng)新設(shè)計理念，不僅滿足集成化和輕量化的設(shè)計要求，大幅減少重量和體積，還提高了整個配電子系統(tǒng)的安全性、可靠性和靈活性。
電連接器和線纜是試驗機(jī)柜傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。低頻電纜、以太網(wǎng)電纜、總線電纜、螺旋電纜……針對試驗機(jī)柜內(nèi)復(fù)雜度極高的電纜設(shè)計，研制團(tuán)隊根據(jù)機(jī)柜本體結(jié)構(gòu)、設(shè)備布局、空間環(huán)境等多約束條件，采用分布式配電架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化電纜網(wǎng)設(shè)計，實現(xiàn)了最小代價的區(qū)域配電以及最小耦合關(guān)系的電氣連接。
聯(lián)動天地的中樞“神經(jīng)系統(tǒng)”
作為信息控制中樞，信息管理子系統(tǒng)搭建的“神經(jīng)系統(tǒng)”可以控制試驗機(jī)柜和試驗載荷在軌正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該子系統(tǒng)所使用的光纖通信鏈路，是試驗機(jī)柜和外部空間應(yīng)用系統(tǒng)的唯一數(shù)據(jù)傳輸通道，可謂機(jī)柜對外通信的“第一道大門”，承擔(dān)著交換與打包柜內(nèi)載荷數(shù)據(jù)、處理和分發(fā)上行指令數(shù)據(jù)的重任。“試驗載荷在軌獲取的寶貴試驗數(shù)據(jù)，都是通過它來聯(lián)通天地。”尹釗強(qiáng)調(diào)。
信息管理子系統(tǒng)還配置綜合管理設(shè)備，既實現(xiàn)了柜內(nèi)4路載荷的配電和熱控產(chǎn)品的配電、控制功能，又肩負(fù)著載荷的采集、遙測、下傳、轉(zhuǎn)發(fā)指令等重任。同時，該子系統(tǒng)配置的無線收發(fā)設(shè)備還可支持無線終端快速接入，保障艙內(nèi)高速WiFi全覆蓋。“針對大容量載荷數(shù)據(jù)的在軌存儲，我們設(shè)計了簡便易懂的文件存儲架構(gòu)，為載荷數(shù)據(jù)的存儲與回放提供可靠技術(shù)支撐。”尹釗補(bǔ)充道。(光明日報 本報北京2月9日電 本報記者 張 蕾)
