中國(guó)空間站的“能量源泉”
——我國(guó)最大面積柔性太陽(yáng)翼亮相太空
■程雷 胡芳芳 解放軍報(bào)記者 王凌碩
7月24日，搭載問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的長(zhǎng)征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭，在我國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火發(fā)射。北京航天飛行控制中心指控大廳的大屏幕上，全景相機(jī)清晰地拍下了問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙展開(kāi)太陽(yáng)翼的絕美瞬間。
此情此景，不由讓人想起了去年神舟十二號(hào)航天員湯洪波透過(guò)空間站的窗戶拍下的一張照片——蔚藍(lán)的地球與空間站橙色的太陽(yáng)翼交相輝映，成為太空中一道亮麗的風(fēng)景線。
在太空探索的征程中，太陽(yáng)翼源源不斷地將太陽(yáng)能源轉(zhuǎn)換為空間站所需的電能，是我國(guó)空間站不可或缺的“能量源泉”。
空間站組合體模擬圖。資料圖片
“能量之源”
航天員的工作生活它來(lái)保障
人們的生活離不開(kāi)電力，航天器在軌飛行，同樣需要穩(wěn)定的能源來(lái)維持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。地上，人們可以選擇多種方式發(fā)電。到了太空，太陽(yáng)能才是最受歡迎的方式。
眾所周知，大量不間斷的太陽(yáng)能在空間環(huán)境中彌散。太陽(yáng)就像一座天然的無(wú)線充電器，為航天器提供能源支持。由于單個(gè)太陽(yáng)電池一般無(wú)法滿足需求，以串、并聯(lián)方式結(jié)合的太陽(yáng)電池及相關(guān)結(jié)構(gòu)等組成的太陽(yáng)電池陣，如同航天器的“營(yíng)養(yǎng)師”，時(shí)刻將太陽(yáng)能“烹飪”成各種設(shè)備所需的“營(yíng)養(yǎng)套餐”。
目前，航天器太陽(yáng)電池陣的主流形式是太陽(yáng)翼。根據(jù)基板類型，可以將太陽(yáng)翼劃分為剛性太陽(yáng)翼、半剛性太陽(yáng)翼和柔性太陽(yáng)翼。我國(guó)神舟系列載人飛船采用的是剛性太陽(yáng)翼，天舟系列貨運(yùn)飛船采用的是半剛性太陽(yáng)翼，中國(guó)空間站采用的是柔性太陽(yáng)翼。
2021年4月29日成功發(fā)射的空間站天和核心艙，應(yīng)用了我國(guó)首型大型柔性太陽(yáng)電池翼。這對(duì)“翅膀”展開(kāi)面積達(dá)67平方米，相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單打羽毛球場(chǎng)的大小。
時(shí)隔一年多，這一紀(jì)錄就被刷新了：?jiǎn)柼鞂?shí)驗(yàn)艙配置了2個(gè)單翼展開(kāi)面積超過(guò)138平方米的“翅膀”，是名副其實(shí)的Plus版。
別看太陽(yáng)翼如此龐大，卻十分輕巧柔軟。粘貼太陽(yáng)能電池片的太陽(yáng)翼基板采用了超薄型輕質(zhì)復(fù)合材料，柔性太陽(yáng)翼全部收攏后厚度也只有18厘米。
太陽(yáng)翼基板上，安裝了柔性砷化鎵電池，俗稱薄膜電池。薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率高于傳統(tǒng)硅電池，體積更小、重量更輕。僅問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙配置的太陽(yáng)翼，功率就高達(dá)18千瓦，4個(gè)太陽(yáng)翼就能提供空間站建成后“天和+問(wèn)天+夢(mèng)天”三艙組合體80%的能量。
太空的生活離不開(kāi)電?？臻g站內(nèi)各系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、航天員的生活、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙中實(shí)驗(yàn)儀器的工作，都需要電力。綜合下來(lái)，三名航天員一天工作、生活的用電量預(yù)計(jì)為320度左右。柔性太陽(yáng)翼提供的能量在滿足艙內(nèi)所有設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，完全可以保證航天員在空間站中的日常生活。
時(shí)刻保持“電力在線”
二次展開(kāi)技術(shù)首亮相
在觀看載人航天發(fā)射直播時(shí)，我們常常會(huì)聽(tīng)到一系列遙控口令：船箭分離、太陽(yáng)能帆板展開(kāi)、調(diào)整飛行姿態(tài)……對(duì)于飛行器來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)翼的成功在軌展開(kāi)是發(fā)射任務(wù)圓滿成功的重要標(biāo)志之一。
由于受到火箭尺寸等限制，航天器發(fā)射前，科研人員必須對(duì)太陽(yáng)翼進(jìn)行折疊或壓縮。在太空中，太陽(yáng)翼舒展打開(kāi)，并在航天器飛行過(guò)程中不斷調(diào)整方向，盡量對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，提供最大效率的能源輸入。有人形容，這好像鳥兒在枝頭打盹時(shí)合攏雙翼，在展翅高飛時(shí)翱翔長(zhǎng)空。所以，展開(kāi)是太陽(yáng)翼正式服役的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作。此次問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙太陽(yáng)翼就以全世界首創(chuàng)的“二次展開(kāi)”精彩亮相。
關(guān)于這兩個(gè)大型太陽(yáng)翼的太空首秀，研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)了一番深思熟慮。
在與“天和”交會(huì)對(duì)接時(shí)，一對(duì)長(zhǎng)且柔的大翅膀勢(shì)必會(huì)影響對(duì)接的準(zhǔn)確度。交會(huì)對(duì)接往往是最驚心動(dòng)魄的時(shí)刻——兩個(gè)數(shù)十噸重的航天器，以約7.9千米/秒的速度運(yùn)動(dòng)，稍有偏差，航天器就會(huì)發(fā)生碰撞。如果太陽(yáng)電池翼完全展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)艙就好比兩只手各持一面巨大的帆，微小的抖動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)艙的速度、相對(duì)位置和飛行姿態(tài)的控制精度下降，控制難度指數(shù)級(jí)增加。
因此，研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，制定了太陽(yáng)翼“兩步走”展開(kāi)戰(zhàn)略。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射后，柔性太陽(yáng)翼會(huì)展開(kāi)一部分電池板，滿足實(shí)驗(yàn)艙的基本需求。等到交會(huì)對(duì)接后，再完全展開(kāi)。整個(gè)過(guò)程持續(xù)80分鐘，可謂“步步驚心”。
第一次展開(kāi)持續(xù)時(shí)間約30分鐘，有五個(gè)動(dòng)作：首先，“熱身運(yùn)動(dòng)”解除太陽(yáng)翼的固定；緊接著，抬升機(jī)構(gòu)“俯仰運(yùn)動(dòng)”將太陽(yáng)翼從艙壁上立起；隨后，展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)“擴(kuò)胸運(yùn)動(dòng)”將兩個(gè)太陽(yáng)電池陣向兩側(cè)展開(kāi)；接下來(lái)，約束釋放機(jī)構(gòu)“轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)”解除收藏箱的約束；最后，伸展機(jī)構(gòu)“伸展運(yùn)動(dòng)”井然有序地推開(kāi)20塊電池板。這個(gè)過(guò)程如同太陽(yáng)翼在太空做了一套“廣播體操”。
在交會(huì)對(duì)接完成后，開(kāi)始第二次展開(kāi)，歷時(shí)50分鐘。約束釋放機(jī)構(gòu)再次“登場(chǎng)”，搭檔實(shí)驗(yàn)艙太陽(yáng)翼獨(dú)有的二次解鎖裝置，為其余64塊電池板解除約束。
整個(gè)展開(kāi)過(guò)程，數(shù)節(jié)伸展機(jī)構(gòu)依次向外推出，帶動(dòng)太陽(yáng)翼向外展開(kāi)，像是一架被緩緩拉開(kāi)的手風(fēng)琴，在宇宙中奏響美妙樂(lè)章。當(dāng)然，憑借其“高可靠可重復(fù)展收”的硬核技術(shù)，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙太陽(yáng)翼不僅可以在太空中收放自如、剛?cè)岵?jì)，還能助力空間站時(shí)刻確保“電力在線”。
受太陽(yáng)入射角和空間站飛行姿態(tài)的影響，太陽(yáng)翼的發(fā)電效率會(huì)因時(shí)段不同、姿態(tài)不同而產(chǎn)生相應(yīng)變化。為了讓“柔性翅膀”24小時(shí)不間斷追蹤太陽(yáng)，保持最高發(fā)電效率為空間站保障用電，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙首次采用太陽(yáng)翼雙自由度同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，確保陽(yáng)光垂直照射在太陽(yáng)翼上。
為了實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，設(shè)計(jì)師們自主研制出我國(guó)目前設(shè)計(jì)規(guī)模最大、連續(xù)工作壽命最長(zhǎng)、傳輸功率最大的大型回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品——對(duì)日定向裝置，有了它的加持，將保證空間站源源不斷獲得能量供給。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙模擬圖。中國(guó)航天科技集團(tuán)五院供圖
“平穩(wěn)翱翔”絕非易事
四兩撥千斤的“太空輕舞”
太空之中，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙柔性太陽(yáng)翼經(jīng)過(guò)兩次展開(kāi)，“滿翼齊飛”的問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙更顯巍峨多姿。
據(jù)介紹，柔性太陽(yáng)翼之所以沒(méi)有在交會(huì)對(duì)接前全部展開(kāi)，其中一個(gè)原因就是為了減少柔性太陽(yáng)翼振動(dòng)對(duì)交會(huì)對(duì)接任務(wù)的影響。
相比于此前我國(guó)航天器使用的剛性太陽(yáng)翼和半剛性太陽(yáng)翼，柔性太陽(yáng)翼更加柔軟，固有頻率范圍更寬。航天器上若有同樣的控制頻率和它的固有頻率重合，帆板就會(huì)被激發(fā)而振動(dòng)起來(lái)。這使得它特別容易振動(dòng)，如果控制不好，每次“溫柔一振”都可能對(duì)航天任務(wù)造成致命影響。如果任由這種振動(dòng)發(fā)展下去，輕則影響航天器的控制精度和穩(wěn)定度，從而影響載荷工作和交會(huì)對(duì)接；重則導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，影響空間站在軌穩(wěn)定運(yùn)行。
為此，科研人員在半剛性太陽(yáng)翼控制基礎(chǔ)上，發(fā)展了對(duì)柔性太陽(yáng)翼振動(dòng)抑制的方法，用“四兩撥千斤”的方式，讓其在太空中“平穩(wěn)翱翔”。
算法是抑制太陽(yáng)翼振動(dòng)的核心技術(shù)?？蒲腥藛T首先通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)去識(shí)別引起太陽(yáng)翼振動(dòng)的源頭，然后通過(guò)精細(xì)的數(shù)學(xué)仿真和大量的物理仿真，總結(jié)出針對(duì)不同情況下控制太陽(yáng)翼振動(dòng)的算法。
這個(gè)控制的基本過(guò)程大致為：首先通過(guò)攝像機(jī)觀察等手段去識(shí)別柔性太陽(yáng)翼的振動(dòng)參數(shù)，然后計(jì)算機(jī)通過(guò)相應(yīng)的算法來(lái)確定航天器需要做出的姿態(tài)調(diào)整，并下達(dá)命令給負(fù)責(zé)調(diào)整航天器姿態(tài)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
從實(shí)際效果看，我國(guó)自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的控制方法正適合中國(guó)航天器的“體質(zhì)”。
此外，2個(gè)太陽(yáng)電池翼完全展開(kāi)后總面積超過(guò)276平方米、厚度只有0.7毫米。它們就像在太空中舞動(dòng)的兩面巨大扇子，任何“風(fēng)吹草動(dòng)”都能讓它晃晃悠悠。除了配置的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制，太陽(yáng)翼上還有一個(gè)特殊裝置也是功不可沒(méi)——其外表看上去是一根簡(jiǎn)單的鋼絲繩，實(shí)際是一套恒力彈簧繩索系統(tǒng)。通過(guò)它的不斷伸縮，能夠保證太陽(yáng)翼在太空復(fù)雜的環(huán)境中保持足夠剛度和姿態(tài)控制。