中国空间站“天宫”的关键组成部分之一——问天实验舱，自成功发射并与空间站组合体对接以来，极大地提升了空间站的功能和规模。不同于核心舱主要承担控制、生活和部分实验任务，问天实验舱是专为扩展空间站能力、深化科学探索而设计的。让我们围绕它探讨一系列具体而微的问题：
一、问天实验舱“是什么”？
问天实验舱是中国空间站“天宫”的两个大型实验舱之一（另一个是梦天实验舱）。它是一个功能齐全、高度集成的航天器单元，是空间站重要的科学研究平台和支持平台。
它主要包含了以下几个核心组成部分或功能区：
- 工作舱（Work Cabin）： 这是问天实验舱的主体部分，内部设置了多个科学实验柜，为航天员开展空间科学实验提供工作环境和支持条件。
- 气闸舱（Airlock Cabin）： 问天实验舱的一个独特且重要的功能是提供了一个专用的、直径更大的出舱口，也就是气闸舱。这使得航天员进行舱外活动（EVA）变得更加便捷和高效，可以同时支持多名航天员出舱。
- 资源舱（Resource Cabin）： 这一部分主要容纳了问天实验舱的能源系统（太阳能帆板）、推进系统、热控系统等设备，为整个实验舱的运行提供动力和支持。
简而言之，问天实验舱是一个集科学实验、生命支持、出舱活动支持和部分控制功能于一体的模块。
二、为什么需要问天实验舱？它解决了哪些“为什么”的问题？
问天实验舱的建造和对接，主要是为了解决中国空间站在核心舱阶段面临的几个“不够”和“不便”：
为什么需要更多实验空间？ 天和核心舱虽然具备一定的实验能力，但其主要任务是作为空间站的控制和生活中心，其内部空间和供电、散热、信息传输等资源有限，难以满足大量、复杂的空间科学实验需求。问天实验舱的到来，带来了更多的标准化的科学实验柜接口，提供了充足的电力、散热和数据传输能力，极大地扩展了空间站的实验能力，特别是为生命科学、生物技术、材料科学等领域提供了独特的微重力研究平台。
为什么需要一个专用的气闸舱？ 在问天实验舱到来之前，航天员主要通过天和核心舱的节点舱出舱。这个出舱口相对较小，且与舱内活动区域紧密关联，准备和执行出舱活动会占用核心舱内的宝贵空间和时间，效率不高，也不太方便支持多人同时出舱。问天实验舱的气闸舱是独立的功能区域，直径更大，内部更宽敞，航天员可以在这里方便地穿戴和脱卸舱外航天服，大幅提高了出舱活动的效率、安全性和支持能力。它提供了一个更理想的“太空之门”。
为什么需要额外的生命保障和控制冗余？ 作为一个永久运行的空间站，系统的冗余性至关重要。问天实验舱具备独立的生命支持系统和部分飞行控制功能，它可以作为核心舱相关系统的备份，提高了空间站整体运行的可靠性和安全性。
为什么能长期驻留更多航天员？ 问天实验舱内部提供了额外的睡眠区（床位），使得空间站能够支持更多航天员同时在轨工作和生活，为更密集、更长时间的科学任务和空间站维护提供了人员保障。它提供了最多3个独立的睡眠区。
三、问天实验舱“在哪里”？它的位置是如何变化的？
问天实验舱在空间站组合体中的位置经历了一个变化过程：
- 初期对接位置： 问天实验舱发射后，通过自主快速交会对接技术，精准对接到了天和核心舱的前向（也就是前进方向）对接口（Axial Port）。这是它抵达空间站后的第一个“落脚点”。
- 最终运行位置： 在完成初始对接和一系列在轨测试后，问天实验舱被移动到了天和核心舱的侧向对接口（Radial Port），具体是天和核心舱的右舷（从前进方向看）。这次位置调整是通过天和核心舱的节点舱和问天实验舱自身的机械臂配合完成的。
因此，现在我们在空间站的构型图中看到的问天实验舱，通常位于核心舱的侧面。它的气闸舱的出舱口，面向的是空间站组合体前进方向的轴向。
四、问天实验舱内部和外部有哪些“多少”？
问天实验舱本身是一个庞大的太空设施，其“多少”体现在多个方面：
- 质量： 问天实验舱的发射质量约为 23吨，是目前为止中国发射过的最重的航天器之一。
- 尺寸： 问天实验舱的长度约 17.9米，最大直径约 4.2米。这是一个相当可观的体积，为内部提供了宽敞的工作和生活空间。
- 实验柜数量： 问天实验舱内部设置了多个标准的科学实验柜接口。具体数量通常指的是能够容纳的标准机柜数量，这比核心舱有了显著增加，提供了大于10个的有效载荷机柜空间，用于开展生命生态、生物技术、空间材料科学等领域的实验。
- 睡眠区数量： 问天实验舱提供了3个独立的睡眠区（床位），使得空间站能够由核心舱支持3名航天员长期驻留的基础上，具备短期接纳多达6名航天员（在乘组轮换期间）的能力。
- 太阳翼翼展： 问天实验舱拥有一对巨大的柔性太阳能帆板，完全展开后，其翼展可达约55米，单翼面积超过110平方米。这是空间站主要的能源来源之一。
- 出舱支持能力： 问天实验舱的气闸舱设计支持同时进行舱外活动，且进出效率更高。
- 机械臂： 问天实验舱外部配备了一台七自由度的小机械臂，可以辅助进行舱外设施的安装、维护、转移载荷等任务，是核心舱大机械臂的重要补充。
五、问天实验舱“如何”工作？
问天实验舱是一个高度自主化和智能化的模块，其工作方式涉及多个层面：
如何在轨运行？ 问天实验舱自身带有动力系统，可以进行轨道维持和姿态调整。它通过与核心舱的连接，成为空间站组合体的一部分，共享电力、信息、热控等资源，同时也为组合体提供额外的资源支持。
如何开展科学实验？ 问天实验舱内的实验柜是模块化设计的，地面的科研人员设计好实验载荷后，通过货运飞船送入空间站。航天员在轨将载荷安装到对应的实验柜中，激活设备。实验数据可以通过空间站的数据传输系统实时或定期传回地面，供科学家分析研究。部分实验也需要航天员直接操作或照料（如生物实验）。
如何支持出舱活动？ 当需要进行出舱活动时，航天员会进入问天实验舱的气闸舱。他们在这里穿戴舱外航天服，进行减压等准备工作。气闸舱独立于空间站主要生活工作区域，可以单独进行泄压操作。准备就绪后，航天员打开气闸舱的出舱门进入太空。任务完成后，他们会通过气闸舱返回，进行复压和脱卸航天服。气闸舱具备更高的循环出舱能力。
如何提供能源？ 问天实验舱巨大的柔性太阳能帆板面向太阳展开，将太阳能转化为电能。产生的电能一部分直接供给实验舱和其他模块使用，一部分储存在蓄电池中，供空间站处于地球阴影区时使用。太阳翼可以根据空间站的轨道和姿态调整角度，以获得最佳的采光效率。
如何进行通信和控制？ 问天实验舱通过空间站内部网络与核心舱连接，将实验数据、设备状态等信息发送给核心舱，再由核心舱与地面测控中心进行通信。地面测控中心可以向问天实验舱发送指令，进行设备控制、参数调整等操作。同时，航天员在舱内也可以通过内部控制面板或终端对实验柜和舱内设备进行操作和监控。
如何与地面协同？ 问天实验舱的运行和实验开展高度依赖地面的支持。地面测控中心负责监控实验舱的健康状态、规划轨道和姿态、上传控制指令。科学家团队则负责实验载荷的设计、地面测试、在轨实验方案的制定和执行监督，并接收和分析实验数据。航天员在轨是执行者，按照地面指令进行操作，同时也是在轨维护和问题处理的关键力量。
六、问天实验舱的机械臂“怎么”用？
问天实验舱的小型机械臂是一台七自由度的灵巧机械臂，与核心舱的长机械臂形成互补：
- 它的安装位置位于问天实验舱的外部。
- 它比核心舱机械臂更短、更灵活，适用于更精细、更靠近舱体的操作任务。
- 它的主要用途包括：
- 辅助出舱活动： 在航天员进行舱外活动时，小型机械臂可以用于抓取和转移较小的舱外设备或工具，减轻航天员的体力负担。
- 载荷转移： 将通过货运飞船运抵的舱外载荷，从货物平台转移到问天实验舱外部的安装位置。
- 设备维护： 对实验舱外部的一些设备进行检查、维修或更换。
- 辅助梦天实验舱的对接与转移： 在梦天实验舱进行侧向转移时，问天实验舱的小机械臂也参与了辅助抓取和支撑任务。
- 它可以与核心舱的机械臂进行级联，形成一个组合臂，具备更大的活动范围和承载能力，用于执行更复杂的舱外任务。
通过对这些具体问题的探讨，我们可以更清晰地了解问天实验舱的功能、结构和工作方式，看到它作为中国空间站重要组成部分所发挥的关键作用。
