问天实验舱

定义

问天实验舱是中国空间站（天宫）的一个实验舱，在中国空间站三舱基本构型中位列实验舱Ⅰ，与梦天实验舱对称分布于核心舱两侧^[4]。它是中国空间站建造阶段发射的第二个舱段，也是中国首个进入太空的科学实验舱^[1]。

按中国载人航天工程的原初设计，中国空间站由核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ共同组成，实验舱Ⅰ被命名为“问天”^[4]。问天实验舱的主要任务包括：支持航天员在轨驻留与出舱活动，开展密封舱内和舱外的空间科学实验与技术试验，并在必要时备份核心舱的关键平台功能^[3]。

舱体由工作舱、气闸舱和资源舱三个舱段串联而成，轴向总长 17.9 米，最大直径 4.2 米，发射质量约 23 吨^[2]。工作舱长度接近 10 米，是中国当时最大的载人密封航天器舱体，航天员生活设施与多数科学实验柜均布置在这里^[5]。

原理

问天实验舱以组合体方式在轨运行：它通过对接机构与天和核心舱的前向端口对接，再通过转位机构移动到节点舱的侧向停泊口固定，与核心舱形成刚性连接的整体，由组合体统一进行姿态与轨道控制^[6]。由于实验舱体量很大，若从侧面直接接近核心舱对接，相对速度与质心偏差可能造成姿态失稳和碰撞风险，因此两个实验舱都先在轴向与前向端口对接，再实施平面转位^[7]。

在平台功能上，问天实验舱承担核心舱能源管理、信息管理、姿态轨道控制和载人环境等关键功能的系统级备份，具备对空间站组合体实施统一管理与控制的能力^[3]。这一备份关系在原理上依靠舱内平台设备与信息网络实现，“一舱失能、另一舱接管”的设计提高了组合体的可靠性^[4]。

能源方面，问天实验舱配备可展收的柔性太阳翼，采用双自由度同时转动的双轴控制方式，可在舱体姿态不变的情况下调整帆板朝向，持续追踪太阳以获得较高发电效率^[8]。舱外还装有一套长度约 5 米、承载能力为 3 吨的小型机械臂，既可独立完成中小型舱外载荷的安装与照料，也能与核心舱的大机械臂对接组合成长臂，在三舱之间爬行作业^[9]。

科学实验依托标准化的“实验柜”开展：每个实验柜为实验样品提供独立的供电、信息、热控与操作接口，柜内再按学科需要配置培养、观测或模拟重力等模块，实验舱为此还配置了舱内外应用任务的共用支持设备^[10]。变重力科学实验柜可营造 0.01G 至 2G 的高精度模拟重力环境，用于比较不同重力水平下的实验现象^[10]。

flowchart LR

A[长征五号B运载火箭] --> B[入轨]

B --> C[与前向端口交会对接]

C --> D[形成一字构型]

D --> E[平面式转位]

E --> F[节点舱侧向停泊口]

F --> G[与核心舱、梦天舱形成T字构型]

发展历程

2019 年，中国载人航天工程方面公开介绍空间站构型，明确实验舱Ⅰ命名为问天，承担平台备份、出舱气闸与舱内外载荷实验等职能^[4]。此前，天和核心舱已于 2021 年 4 月 29 日由长征五号B遥二运载火箭送入轨道，空间站进入在轨建造阶段 .

2022 年 7 月 24 日 14 时 22 分，长征五号B遥三运载火箭在文昌航天发射场点火升空，约 495 秒后问天实验舱与火箭分离并进入预定轨道，发射任务取得成功^[1]。这次发射是中国载人航天工程立项实施以来的第 24 次飞行任务，也是空间站建造阶段首次在有航天员驻留的状态下迎接航天器来访^[11]。

2022 年 7 月 25 日 3 时 13 分，问天实验舱与天和核心舱组合体完成交会对接，对接位置为核心舱前向端口，整个过程历时约 13 小时^[12]。当日 10 时 03 分，神舟十四号航天员乘组开启舱门进入问天实验舱，这是中国航天员首次在轨进入科学实验舱^[13]。

2022 年 9 月 30 日 12 时 44 分，经过约 1 小时的天地协同，问天实验舱与天和核心舱分离后以平面转位方式转动 90 度，重新对接于节点舱侧向停泊口，组合体由“一”字构型变为“L”构型^[6]。这是中国首次利用转位机构在轨实施大体量舱段转位操作，也为梦天实验舱腾出了核心舱的前向对接口^[14]。同年 10 月 31 日梦天实验舱发射，11 月 3 日完成转位后，空间站三舱“T”字基本构型在轨建成^[7]。

应用

问天实验舱的应用任务以生命科学和生物技术研究为主，工作舱内布置了 8 个实验柜，其中生命生态实验柜、生物技术实验柜、变重力科学实验柜、科学手套箱与低温存储柜在发射时即已装载，另预留 3 个空间实验柜位置^[10]。据空间应用系统介绍，相关任务在空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、空间应用新技术试验等领域规划了研究主题与科学项目^[15]。

生命生态实验柜用于培养植物、水生生物、小型模式动物等样品，开展拟南芥、线虫、果蝇、斑马鱼等动植物的空间生长实验，观察微重力对生长发育和代谢的影响^[10]。生物技术实验柜面向细胞组织培养、空间蛋白质结晶与分析、蛋白与核酸共起源、空间生物力学等方向，样品层次覆盖组织、细胞与生化分子^[9]。变重力科学实验柜则支持复杂流体物理、颗粒物质运动等在不同重力水平下的对比研究^[9]。

科学手套箱提供洁净密闭空间与温湿度环境控制，并配有灵巧机械臂，具备细胞级精细操作能力，便于航天员处理多学科实验样品^[10]。低温存储装置设有 3 个冷冻冷藏区，可分别提供 4 摄氏度保鲜以及零下 20 摄氏度、零下 80 摄氏度冷冻条件，用于实验样品在轨保存^[15]。

在航天员保障方面，问天实验舱设有 3 个睡眠区、1 个卫生区和厨房设施，与核心舱共同支持两艘载人飞船轮换期间 6 名航天员在轨生活^[3]。其气闸舱外方内圆，内部为出舱活动准备空间，外部方形结构为舱外暴露实验平台，布置了 22 个标准载荷接口，部分接口具备流体回路温控能力，后续成为空间站的主要出舱通道^[9]。太空授课等活动也在该舱开展^[2]。

局限

问天实验舱以生命科学和生物技术研究为主，实验柜数量与类型有明确分工，部分学科实验需依靠梦天实验舱的设施完成，单舱不能覆盖全部空间科学方向^[9]。舱内实验柜的样品上行、下行受货运飞船与返回飞船班次、装载质量和低温存储容量限制，实验周期与样品数量因此受到约束^[10]。

作为平台备份，问天实验舱的备份能力限于核心舱关键平台功能的系统级层面，并不等同于完全替代核心舱全部功能^[4]。转位、对接等大型构型操作对姿态扰动敏感，需要高精度模态参数识别与力矩陀螺等控制手段配合，操作窗口与实施条件都较为严苛^[6]。

体积和迎风面积大也带来工程约束：舱体长 17.9 米、直径 4.2 米，加上太阳翼后在低轨稀薄大气中承受的阻力与扭矩显著增加，需要持续进行姿态与轨道维持，消耗推进剂与控制资源^[7]。

参见

• 天和核心舱 —— 中国空间站的居中主舱段，问天实验舱与其对接并互为平台备份。

• 梦天实验舱 —— 中国空间站的另一个实验舱，与问天实验舱共同构成“T”字构型的两翼。

• 长征五号B运载火箭 —— 将问天实验舱送入预定轨道的运载火箭。

• 文昌航天发射场 —— 问天实验舱的发射场所。

• 太阳翼 —— 为空间站组合体提供电能的柔性太阳能帆板。

• 空间站机械臂 —— 包括核心舱大机械臂与问天舱小机械臂，用于舱外载荷操作与舱体转位。