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我国空间站大型对日定向装置“首秀”成功:“中国太阳花”绽放太空

日期:2022-09-03 返回

  我国空间站大型对日定向装置“首秀”成功:“中国太阳花”绽放太空摘要:大型对日定向装置此次在轨试验,只是空间站组建过程中的“首秀”,属于它的表演才刚刚开启。

  上一期“热点追踪”,我们为您介绍了我国最大面积的柔性太阳翼。作为中国空间站不可或缺的“能量源泉”,太阳翼在浩瀚的宇宙空间里舒展开来,源源不断地汲取着来自太阳的能量。

  众所周知,空间站在地球轨道上持续运行,太阳翼并非时时刻刻正对着太阳。时段不同、姿态不同,太阳翼的发电效率也会随之发生相应的变化。为此,中国航天科技集团的科研人员研发出了我国首个大型对日定向装置。它主要负责驱动太阳翼转动以及舱内外能源的传输,是空间站名副其实的“能源卫士”。

  向日葵也被人们称作太阳花,花盘下孕育着一种特殊的植物生长素,让它可以不断追逐太阳、自由生长。前不久我国发射的问天实验舱,也有一种让太阳翼在轨实时追踪太阳的特殊构件,那就是配置在实验舱尾端的大型对日定向装置。

  对日定向装置,这个看上去充满动感的名字,一经提出仿佛就被赋予了生命。作为中国空间站的关键技术之一,未来空间站建造完成后,舱内各类科学仪器、有效载荷以及空间站各系统等所需的电能,都要依赖大型对日定向装置从舱外向舱内进行传输。

  研究人员在太阳翼的末端安装了一个太阳敏感器,它可以实时监测太阳光的入射角度,并将相关信息发送给对日定向装置内部的旋转变压器。接收到相关信息后,姿态控制系统会给对日定向装置发送控制指令,对日定向装置即可开展自主运动规划,精准调整自身状态。

  相比于地球上稳定的一年四季和相对缓慢的温度变化,太空的环境要复杂得多。中国空间站在距离地面约400公里高度的轨道上飞行,约90分钟就会绕地球一圈。这意味着,地球一天的时间内,空间站会经历16个昼夜。离开了大气层的保护,空间站不得不直面阳光。当空间站运行到地球的正面时,外面骄阳似火;当空间站运行到地球的背面时,外面又是天寒地冻。

  对于机构类产品来说,空间环境造成的热变形是导致机构卡滞的主要因素之一,尺寸越大,材料热变形越明显。为此,科研人员为对日定向装置加了一层“控温外套”。这让它既能短时间内耐受附近发动机上千度的炙烤,也能长期承受太空中“冰火两重天”的外部环境。

  想象一下,如果我们双手各持一把大扇子,以手腕为圆心长时间做360°旋转,恐怕用不了多久,双手就会不受控制地发抖了。而实验舱上的对日定向装置就相当于我们的手腕,它需要带动起两副各27米长、共276平方米、加起来1.2吨的柔性太阳翼持续旋转、稳定对日。这对“手腕”的承重能力和转动力量提出了更高要求。

  对日定向装置是我国目前设计规模最大、电传输功率最大、设计寿命最长的回转运动类空间机构产品。如果按照以往的机械传动方案设计,要想满足所需的承载和驱动能力,仅米级大轴承重量就能达到400公斤,而问天舱起飞重量才差不多23吨。显然,过于笨重的机械传动设施并不适用。

  为此,研究团队设计了一套“分布式回转支撑驱动传动方案”。这套方案的灵感来源于摩天轮,但与摩天轮采用主基塔进行支撑的方式不同。对日定向装置“化零为整”,在装置主体圆形导轨和末端之间设计了8个均匀分布的独立组件分散受力。这8个支点的构型类似于摩天轮的“小客舱”,它们以轻量化的“身躯”撑起了整个主结构。全套设施的重量,才不过36公斤。

  “别看太阳翼这么庞大,它就像打印纸一样柔软,任何的轻微振动都能让它晃晃悠悠摆动。”研究人员说。如何将这么大、这么软的太阳翼控制平稳,一直是研究人员攻关的重点课题。如果太阳翼转动不平稳,会直接反作用于空间站上,导致空间站姿态控制出现困难,甚至会让航天员在舱内“晕车”。

  于是,“大柔性高稳定伺服控制系统”应运而生。这套为对日定向装置量身打造的控制方案,解决了大柔性负载“既要转,又怕抖”的技术难题,让太阳翼能够“长袖善舞”,实现对太阳的稳定跟踪。

  更厉害的是,当太阳翼受到外界干扰而导致抖动时,对日定向装置的控制系统能非常灵敏地察觉,并进行“快速安抚”,就像“太极推手”一样化有形于无形,在不到30秒的时间内,就能将太阳翼弹性振动能量及时耗散,给空间站“稳稳的幸福”。

  据研究人员介绍,这套系统还能通过控制参数调整,适应对日定向装置长期在轨工作后的性能衰减。这样,对日定向装置便有了更长的寿命,能更好地为空间站服务。

  我们日常生活中的用电,是通过发电厂庞大的电网系统输送到千家万户,而在近地轨道绕行中,太阳就是一个天然的大型发电厂。那么,我国的科研工作者们是如何将大型柔性太阳翼产生的数万瓦级电能传输到空间站内,搭建起一条稳定高效的“能源生命线”,让空间站真正实现“用电无忧”?

  通常来说,如今世界上大部分航天器都采用传统的滑环导电传输方式。滑环就是用于连通、传输能源的“旋转关节”。滑环作为航天技术中必不可少的基础零件之一,在各类航天器的姿态控制系统、云台、太阳翼连接处等子系统上,发挥了巨大的作用。然而,这种方式存在滑动磨损,因此一般适用于导电功率不大,且寿命较短的航天器上。

  按照设计方案,中国空间站计划寿命为10年,其功率传输需求更是普通航天器的20多倍。如果再选择滑环导电传输方式,其滑动摩擦产生的损耗可能会造成严重的后果。

  为此,中国航天科技集团的研究人员首创了超大功率和超长寿命的滚环电传输机构,实现了国内首次以滚动替代滑动接触方式的大功率传输。滚环的样子就像一个圆滚滚的轮胎,总体呈圆环状。它采用类似滚动轴承的运动原理,包括“内环体”和“外环体”,内外环体之间嵌入多个“柔性环”。运行时,外环固定不动,内环转动,内、外环体分别通过电缆与舱外和舱内各设备实现电气连接。

  为了验证滚环的高可靠、高效率、长寿命,研制团队在地面进行了20万圈的加速寿命试验考核,相当于在轨工作34年,以高可靠性确保空间站能源通路的高效畅通。

  这是一条闪耀中国智慧的“能源生命线”。太空之中,当太阳翼汲取太阳的能量为中国空间站发电时,地球上,科研人员也在用自己对中国航天事业的爱意为空间站“发电”。

  回顾十多年的研制历程,有挫折,有质疑,更有无数个通宵达旦的集智攻关,以及试验成功的激动不已。有的设计师长期在单位留宿,偶尔回家一趟就像是过了一次节;有的设计师结婚不久,答应爱人能及时回家吃晚饭,却屡屡爽约……一位设计师曾这样写道:“纵然这世上永远没有哪一纸奖状能写满所有功勋的名字,但这并不妨碍那最光辉的丰碑矗立在记忆长河之中。当中国空间站在蔚蓝星球外划出最优雅的弧线,我们应该为自己感动。”

  浩瀚的太空之中,橙色的太阳翼伸展着翅膀;翅膀之下,大型对日定向装置一点一点调整着角度,追随着太阳;整体造型宛如一朵美丽的“中国太阳花”。大型对日定向装置此次在轨试验,只是空间站组建过程中的“首秀”,属于它的表演才刚刚开启。在未来漫长的岁月中,它将和它背后的伙伴们继续逐日而行,守护中国空间站安全平稳。

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