2022年7月28日，在隨問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射4天后，隨艙上行的我國首個大型對日定向裝置正式登臺亮相，成功完成一系列在軌性能測試，各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)異，我國空間站成功實(shí)現(xiàn)雙自由度對日定向。
【資料圖】
什么是“對日定向裝置”？簡單來說，它主要負(fù)責(zé)驅(qū)動太陽翼轉(zhuǎn)動以及艙內(nèi)外能源的傳輸，是中國空間站工程立項(xiàng)初期最先提上日程的關(guān)鍵技術(shù)之一。未來空間站建造完成后，艙內(nèi)各類科學(xué)儀器、有效載荷，包括維持航天員生命系統(tǒng)的重要設(shè)備所需要的電能，都要依賴大型對日定向裝置從艙外向艙內(nèi)進(jìn)行高效可靠的傳輸?？梢哉f，它是空間站名副其實(shí)的“能源衛(wèi)士”。
勁頭足、也要轉(zhuǎn)得動
為了保障空間站的用電需求，問天實(shí)驗(yàn)艙上配置的大型柔性太陽翼單翼長度27米、有效發(fā)電面積約110平方米，可以保障空間站源源不斷的能源輸入。但驅(qū)動起這兩副柔性太陽翼在太空中流暢“劃圈”，讓它們可以全天候接收到來自太陽光的照射，并非易事。如果想象我們單手拿一把27米長的“芭蕉扇”，并以手腕為圓心做360°旋轉(zhuǎn)，這就需要我們的手腕具有很強(qiáng)的承重能力和轉(zhuǎn)動力量。而實(shí)驗(yàn)艙上的對日定向裝置就相當(dāng)于我們的手腕，它需要帶動太陽翼持續(xù)旋轉(zhuǎn)、穩(wěn)定對日。
空間站對日定向裝置為整艙提供不竭能源，但常年駐守艙外所面臨的空間環(huán)境會對大型轉(zhuǎn)動類機(jī)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)酷考驗(yàn)。如何保證對日定向裝置驅(qū)動太陽翼傳動準(zhǔn)確的同時又不會發(fā)生運(yùn)動卡滯，這對研制團(tuán)隊(duì)而言是個巨大挑戰(zhàn)。為此，研制團(tuán)隊(duì)開展頭腦風(fēng)暴、全新設(shè)計了一套國內(nèi)首創(chuàng)的“分布式回轉(zhuǎn)支撐驅(qū)動傳動方案”，可以確保大導(dǎo)軌在高低溫?zé)崦浝淇s產(chǎn)生變形的情況下，依然可以支撐驅(qū)動機(jī)構(gòu)流暢轉(zhuǎn)動，帶動兩個巨型太陽翼實(shí)時跟蹤太陽。同時，團(tuán)隊(duì)還給對日定向裝置加了一層“控溫外套”，保障對日定向裝置在長期的極端高低溫外部環(huán)境下，始終處于適宜的溫度范圍。
效率高、也要傳得快
我們?nèi)粘Ｉ钪械挠秒?，是通過發(fā)電廠龐大的電網(wǎng)系統(tǒng)輸送到千家萬戶，而在太陽系中，太陽就是一個天然的“大型發(fā)電廠”。但如何將大型柔性翼產(chǎn)生的數(shù)萬瓦級電能傳輸?shù)娇臻g站內(nèi)，搭建起一條穩(wěn)定高效的“能源生命線”，讓空間站真正實(shí)現(xiàn)“用電無憂”？
通常來說，大部分航天器都采用傳統(tǒng)的滑環(huán)導(dǎo)電傳輸方式，簡單來說，滑環(huán)就是用于連通、傳輸能源的“旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)”，但因這種方式存在滑動磨損，因此一般適用于千瓦級傳輸功率的航天器；而空間站的功率傳輸需求是普通航天器的20多倍，設(shè)計壽命要求高，面對滑動摩損產(chǎn)生的巨大電能消耗，空間站表示“零容忍”！為此，研制團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了超大功率和超長壽命的滾環(huán)電傳輸機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次以滾動替代滑動接觸方式的大功率傳輸。為了驗(yàn)證滾環(huán)的高可靠、高效率、長壽命，研制團(tuán)隊(duì)在地面進(jìn)行了20萬圈的加速壽命試驗(yàn)考核，相當(dāng)于等效在軌工作34年，以100%的產(chǎn)品可靠性確?？臻g站能源通路的高效暢通。
對得準(zhǔn)、也得控得穩(wěn)
空間站在軌飛行過程中，如何保持太陽翼時刻對準(zhǔn)太陽？對日定向裝置“肚子”里裝有能實(shí)時采集太陽轉(zhuǎn)動角度信息的旋轉(zhuǎn)變壓器，在接收到姿態(tài)控制系統(tǒng)下達(dá)的運(yùn)動模式要求后，對日定向裝置可以通過開展自主運(yùn)動規(guī)劃，精準(zhǔn)調(diào)整自身狀態(tài)，從而讓太陽翼像“向日葵”一樣實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定對日。
“除了對得準(zhǔn)，更難的是如何將這么大、這么軟的太陽翼控制平穩(wěn)。”這是研制團(tuán)隊(duì)在設(shè)計時共同的考量和擔(dān)心。太陽翼有效發(fā)電總面積約220平米，整翼長55米，但卻只有打印紙這么軟，任何的輕微振動都能讓它晃晃悠悠擺動。如果太陽翼轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)，將導(dǎo)致空間站姿態(tài)控制出現(xiàn)困難。因此，“大柔性高穩(wěn)定伺服控制系統(tǒng)”應(yīng)運(yùn)而生，這套為對日定向裝置量身打造的控制方案，讓太陽翼能夠“長袖善舞”，實(shí)現(xiàn)對太陽的穩(wěn)定跟蹤控制。
更厲害的是，當(dāng)太陽電池翼受到外界干擾而導(dǎo)致抖動時，對日定向裝置的控制系統(tǒng)能非常靈敏地察覺，并進(jìn)行“快速安撫”，就像“太極推手”一樣化有形于無形，在不到30秒的時間內(nèi)，就能將太陽翼彈性振動能量及時耗散，給空間站“穩(wěn)穩(wěn)的幸福”。
高可靠、也得箍得牢
問天實(shí)驗(yàn)艙此次搭乘的“運(yùn)載專列”，是為空間站建造量身定制的長征五號B運(yùn)載火箭。它以其安全、精準(zhǔn)、可靠，竭誠為空間站“大客戶”提供優(yōu)享服務(wù)。但在火箭的飛行階段，問天實(shí)驗(yàn)艙還是不可避免地會承受很大的上升段載荷，特別是對日定向裝置安裝在實(shí)驗(yàn)艙最末端的資源艙上，進(jìn)入火箭整流罩后處于最頂端，受到首當(dāng)其沖的巨大壓力。“道路千萬條，安全第一條。”為了避免火箭發(fā)射階段讓對日定向裝置的“小心臟”不堪重負(fù)，設(shè)計團(tuán)隊(duì)采用了一種新型W型包帶，也就是給對日定向裝置系上了多重保護(hù)的“安全帶”，讓它在飛行過程中更安心。在實(shí)驗(yàn)艙順利入軌后，“安全帶”收到指令、釋放解除，從而讓對日定向裝置自由地驅(qū)動起它的小馬達(dá)，開啟它的逐日旅程。
本次在軌試驗(yàn)是大型對日定向裝置在我國空間站組建過程中的“首秀”，試驗(yàn)的圓滿成功將為后續(xù)空間站組建以及在軌運(yùn)營奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。
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