“中國太陽花”綻放太空
——我國空間站大型對日定向裝置“首秀”成功
■姜景明 李 同 解放軍報記者 王凌碩
問天艙對日定向裝置。圖片來自中國載人航天官網
上一期“熱點追蹤”，我們?yōu)槟榻B了我國最大面積的柔性太陽翼。作為中國空間站不可或缺的“能量源泉”，太陽翼在浩瀚的宇宙空間里舒展開來，源源不斷地汲取著來自太陽的能量。
眾所周知，空間站在地球軌道上持續(xù)運行，太陽翼并非時時刻刻正對著太陽。時段不同、姿態(tài)不同，太陽翼的發(fā)電效率也會隨之發(fā)生相應的變化。為此，中國航天科技集團的科研人員研發(fā)出了我國首個大型對日定向裝置。它主要負責驅動太陽翼轉動以及艙內外能源的傳輸，是空間站名副其實的“能源衛(wèi)士”。
向陽而生 逐光而行
向日葵也被人們稱作太陽花，花盤下孕育著一種特殊的植物生長素，讓它可以不斷追逐太陽、自由生長。前不久我國發(fā)射的問天實驗艙，也有一種讓太陽翼在軌實時追蹤太陽的特殊構件，那就是配置在實驗艙尾端的大型對日定向裝置。
對日定向裝置，這個看上去充滿動感的名字，一經提出仿佛就被賦予了生命。作為中國空間站的關鍵技術之一，未來空間站建造完成后，艙內各類科學儀器、有效載荷以及空間站各系統(tǒng)等所需的電能，都要依賴大型對日定向裝置從艙外向艙內進行傳輸。
對日定向裝置又是如何實現(xiàn)穩(wěn)定對日的呢？原理其實并不復雜。
研究人員在太陽翼的末端安裝了一個太陽敏感器，它可以實時監(jiān)測太陽光的入射角度，并將相關信息發(fā)送給對日定向裝置內部的旋轉變壓器。接收到相關信息后，姿態(tài)控制系統(tǒng)會給對日定向裝置發(fā)送控制指令，對日定向裝置即可開展自主運動規(guī)劃，精準調整自身狀態(tài)。
然而，在太空中驅使太陽翼對著太陽轉動，并非像向日葵追逐太陽那樣輕松。
相比于地球上穩(wěn)定的一年四季和相對緩慢的溫度變化，太空的環(huán)境要復雜得多。中國空間站在距離地面約400公里高度的軌道上飛行，約90分鐘就會繞地球一圈。這意味著，地球一天的時間內，空間站會經歷16個晝夜。離開了大氣層的保護，空間站不得不直面陽光。當空間站運行到地球的正面時，外面驕陽似火；當空間站運行到地球的背面時，外面又是天寒地凍。
對于機構類產品來說，空間環(huán)境造成的熱變形是導致機構卡滯的主要因素之一，尺寸越大，材料熱變形越明顯。為此，科研人員為對日定向裝置加了一層“控溫外套”。這讓它既能短時間內耐受附近發(fā)動機上千度的炙烤，也能長期承受太空中“冰火兩重天”的外部環(huán)境。
讓空間站收獲“穩(wěn)穩(wěn)的幸?！?/strong>
想象一下，如果我們雙手各持一把大扇子，以手腕為圓心長時間做360°旋轉，恐怕用不了多久，雙手就會不受控制地發(fā)抖了。而實驗艙上的對日定向裝置就相當于我們的手腕，它需要帶動起兩副各27米長、共276平方米、加起來1.2噸的柔性太陽翼持續(xù)旋轉、穩(wěn)定對日。這對“手腕”的承重能力和轉動力量提出了更高要求。
對日定向裝置是我國目前設計規(guī)模最大、電傳輸功率最大、設計壽命最長的回轉運動類空間機構產品。如果按照以往的機械傳動方案設計，要想滿足所需的承載和驅動能力，僅米級大軸承重量就能達到400公斤，而問天艙起飛重量才差不多23噸。顯然，過于笨重的機械傳動設施并不適用。
為此，研究團隊設計了一套“分布式回轉支撐驅動傳動方案”。這套方案的靈感來源于摩天輪，但與摩天輪采用主基塔進行支撐的方式不同。對日定向裝置“化零為整”，在裝置主體圓形導軌和末端之間設計了8個均勻分布的獨立組件分散受力。這8個支點的構型類似于摩天輪的“小客艙”，它們以輕量化的“身軀”撐起了整個主結構。全套設施的重量，才不過36公斤。
“別看太陽翼這么龐大，它就像打印紙一樣柔軟，任何的輕微振動都能讓它晃晃悠悠擺動。”研究人員說。如何將這么大、這么軟的太陽翼控制平穩(wěn)，一直是研究人員攻關的重點課題。如果太陽翼轉動不平穩(wěn)，會直接反作用于空間站上，導致空間站姿態(tài)控制出現(xiàn)困難，甚至會讓航天員在艙內“暈車”。
于是，“大柔性高穩(wěn)定伺服控制系統(tǒng)”應運而生。這套為對日定向裝置量身打造的控制方案，解決了大柔性負載“既要轉，又怕抖”的技術難題，讓太陽翼能夠“長袖善舞”，實現(xiàn)對太陽的穩(wěn)定跟蹤。
更厲害的是，當太陽翼受到外界干擾而導致抖動時，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，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?！薄?/p>
據研究人員介紹，這套系統(tǒng)還能通過控制參數(shù)調整，適應對日定向裝置長期在軌工作后的性能衰減。這樣，對日定向裝置便有了更長的壽命，能更好地為空間站服務。
閃耀中國智慧的“能源生命線”
我們日常生活中的用電，是通過發(fā)電廠龐大的電網系統(tǒng)輸送到千家萬戶，而在近地軌道繞行中，太陽就是一個天然的大型發(fā)電廠。那么，我國的科研工作者們是如何將大型柔性太陽翼產生的數(shù)萬瓦級電能傳輸?shù)娇臻g站內，搭建起一條穩(wěn)定高效的“能源生命線”，讓空間站真正實現(xiàn)“用電無憂”？
通常來說，如今世界上大部分航天器都采用傳統(tǒng)的滑環(huán)導電傳輸方式?；h(huán)就是用于連通、傳輸能源的“旋轉關節(jié)”?；h(huán)作為航天技術中必不可少的基礎零件之一，在各類航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)、云臺、太陽翼連接處等子系統(tǒng)上，發(fā)揮了巨大的作用。然而，這種方式存在滑動磨損，因此一般適用于導電功率不大，且壽命較短的航天器上。
按照設計方案，中國空間站計劃壽命為10年，其功率傳輸需求更是普通航天器的20多倍。如果再選擇滑環(huán)導電傳輸方式，其滑動摩擦產生的損耗可能會造成嚴重的后果。
為此，中國航天科技集團的研究人員首創(chuàng)了超大功率和超長壽命的滾環(huán)電傳輸機構，實現(xiàn)了國內首次以滾動替代滑動接觸方式的大功率傳輸。滾環(huán)的樣子就像一個圓滾滾的輪胎，總體呈圓環(huán)狀。它采用類似滾動軸承的運動原理，包括“內環(huán)體”和“外環(huán)體”，內外環(huán)體之間嵌入多個“柔性環(huán)”。運行時，外環(huán)固定不動，內環(huán)轉動，內、外環(huán)體分別通過電纜與艙外和艙內各設備實現(xiàn)電氣連接。
為了驗證滾環(huán)的高可靠、高效率、長壽命，研制團隊在地面進行了20萬圈的加速壽命試驗考核，相當于在軌工作34年，以高可靠性確保空間站能源通路的高效暢通。
這是一條閃耀中國智慧的“能源生命線”。太空之中，當太陽翼汲取太陽的能量為中國空間站發(fā)電時，地球上，科研人員也在用自己對中國航天事業(yè)的愛意為空間站“發(fā)電”。
回顧十多年的研制歷程，有挫折，有質疑，更有無數(shù)個通宵達旦的集智攻關，以及試驗成功的激動不已。有的設計師長期在單位留宿，偶爾回家一趟就像是過了一次節(jié)；有的設計師結婚不久，答應愛人能及時回家吃晚飯，卻屢屢爽約……一位設計師曾這樣寫道：“縱然這世上永遠沒有哪一紙獎狀能寫滿所有功勛的名字，但這并不妨礙那最光輝的豐碑矗立在記憶長河之中。當中國空間站在蔚藍星球外劃出最優(yōu)雅的弧線，我們應該為自己感動。”
浩瀚的太空之中，橙色的太陽翼伸展著翅膀；翅膀之下，大型對日定向裝置一點一點調整著角度，追隨著太陽；整體造型宛如一朵美麗的“中國太陽花”。大型對日定向裝置此次在軌試驗，只是空間站組建過程中的“首秀”，屬于它的表演才剛剛開啟。在未來漫長的歲月中，它將和它背后的伙伴們繼續(xù)逐日而行，守護中國空間站安全平穩(wěn)。
