作為空間站工程航天技術試驗領域的抓總研制單位，航天科技集團五院為空間站夢天實驗艙配置了航天基礎試驗機柜，給各類在軌載荷提供機、電、熱、信息等保障條件，支持各類試驗項目在軌滾動實施，為航天新技術的創(chuàng)新發(fā)展提供了強大的驗證平臺。該機柜在軌3個多月以來，成功開展功能測試和部分載荷試驗，目前產品狀態(tài)良好。
那么，航天基礎試驗機柜(以下簡稱“試驗機柜”)擁有哪些超強本領呢？
為用戶提供13種“私人定制”空間
試驗機柜的設計壽命為15年，配套近百臺設備。考慮到空間站運營期間機柜平臺能力的升級換代，試驗機柜結構需滿足設備在軌更換的條件，以便航天員高效快速地完成相關操作。“機柜在設計上支持在軌翻轉，可為航天員在軌維護維修提供最佳操作體位，模塊化的布局設計則便于機柜平臺按功能分區(qū)升級優(yōu)化。”航天科技集團五院空間站航天技術試驗領域總體副主任設計師尹釗表示。
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計成為解決多樣化需求和載荷接口標準化的最佳方式。據悉，試驗機柜的結構機構子系統(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操作界面伸出柜體，讓航天員可視、可達地高效操作，堪稱試驗載荷的“生命臍帶”。
掌控“大樓”冷暖的環(huán)境管家
載荷試驗會產生熱量，這就需要熱控子系統(tǒng)對載荷環(huán)境的溫度進行管理。“如果將試驗機柜比喻成一棟大樓，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”——通風子系統(tǒng)。“每個載荷在側面開些較小的通風孔，背部開個較大的回風口，整個過程由載荷風機驅動，讓冷風從小孔進入載荷單元內部，由回風口帶出熱量，進入風道匯總，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”的體質不同，如何將空調設置到適合的溫度呢？原來，每個回風口上都安裝了風量調節(jié)閥，具有5擋開度，可以根據“個人”體質情況調大或關小，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”不能滿足它的要求，怎么辦？此時，液冷子系統(tǒng)就會準備一張“水床”(冷板)，讓高熱耗設備“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，并實現載荷的在軌重構和更換。
當某位“房客”需要在真空環(huán)境進行試驗時，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，直接關系到機柜各試驗裝置的任務成敗和航天員的操作安全。
據尹釗介紹，為確保供電系統(tǒng)絕對安全，研制團隊在設計配電通路時，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柜的緊急斷電操作”。
針對多載荷能量傳輸，研制團隊創(chuàng)新設計理念，不僅滿足集成化和輕量化的設計要求，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柜傳輸數據的基礎。低頻電纜、以太網電纜、總線電纜、螺旋電纜……針對試驗機柜內復雜度極高的電纜設計，研制團隊根據機柜本體結構、設備布局、空間環(huán)境等多約束條件，采用分布式配電架構和標準化電纜網設計，實現了最小代價的區(qū)域配電以及最小耦合關系的電氣連接。
聯(lián)動天地的中樞“神經系統(tǒng)”
作為信息控制中樞，信息管理子系統(tǒng)搭建的“神經系統(tǒng)”可以控制試驗機柜和試驗載荷在軌正常運轉。該子系統(tǒng)所使用的光纖通信鏈路，是試驗機柜和外部空間應用系統(tǒng)的唯一數據傳輸通道，可謂機柜對外通信的“第一道大門”，承擔著交換與打包柜內載荷數據、處理和分發(fā)上行指令數據的重任。“試驗載荷在軌獲取的寶貴試驗數據，都是通過它來聯(lián)通天地。”尹釗強調。
信息管理子系統(tǒng)還配置綜合管理設備，既實現了柜內4路載荷的配電和熱控產品的配電、控制功能，又肩負著載荷的采集、遙測、下傳、轉發(fā)指令等重任。同時，該子系統(tǒng)配置的無線收發(fā)設備還可支持無線終端快速接入，保障艙內高速WiFi全覆蓋。“針對大容量載荷數據的在軌存儲，我們設計了簡便易懂的文件存儲架構，為載荷數據的存儲與回放提供可靠技術支撐。”尹釗補充道。(光明日報 本報北京2月9日電 本報記者 張 蕾)
