中國空間站的“能量源泉”
——我國最大面積柔性太陽翼亮相太空
■程雷 胡芳芳 解放軍報(bào)記者 王凌碩
7月24日，搭載問天實(shí)驗(yàn)艙的長征五號B遙三運(yùn)載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場準(zhǔn)時點(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)清晰地拍下了問天實(shí)驗(yàn)艙展開太陽翼的絕美瞬間。
此情此景，不由讓人想起了去年神舟十二號航天員湯洪波透過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，太陽翼源源不斷地將太陽能源轉(zhuǎn)換為空間站所需的電能，是我國空間站不可或缺的“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保障
人們的生活離不開電力，航天器在軌飛行，同樣需要穩(wěn)定的能源來維持設(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，太陽能才是最受歡迎的方式。
眾所周知，大量不間斷的太陽能在空間環(huán)境中彌散。太陽就像一座天然的無線充電器，為航天器提供能源支持。由于單個太陽電池一般無法滿足需求，以串、并聯(lián)方式結(jié)合的太陽電池及相關(guān)結(jié)構(gòu)等組成的太陽電池陣，如同航天器的“營養(yǎng)師”，時刻將太陽能“烹飪”成各種設(shè)備所需的“營養(yǎng)套餐”。
目前，航天器太陽電池陣的主流形式是太陽翼。根據(jù)基板類型，可以將太陽翼劃分為剛性太陽翼、半剛性太陽翼和柔性太陽翼。我國神舟系列載人飛船采用的是剛性太陽翼，天舟系列貨運(yùn)飛船采用的是半剛性太陽翼，中國空間站采用的是柔性太陽翼。
2021年4月29日成功發(fā)射的空間站天和核心艙，應(yīng)用了我國首型大型柔性太陽電池翼。這對“翅膀”展開面積達(dá)67平方米，相當(dāng)于一個標(biāo)準(zhǔn)單打羽毛球場的大小。
時隔一年多，這一紀(jì)錄就被刷新了：問天實(shí)驗(yàn)艙配置了2個單翼展開面積超過138平方米的“翅膀”，是名副其實(shí)的Plus版。
別看太陽翼如此龐大，卻十分輕巧柔軟。粘貼太陽能電池片的太陽翼基板采用了超薄型輕質(zhì)復(fù)合材料，柔性太陽翼全部收攏后厚度也只有18厘米。
太陽翼基板上，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。僅問天實(shí)驗(yàn)艙配置的太陽翼，功率就高達(dá)18千瓦，4個太陽翼就能提供空間站建成后“天和+問天+夢天”三艙組合體80%的能量。
太空的生活離不開電?？臻g站內(nèi)各系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、航天員的生活、問天實(shí)驗(yàn)艙中實(shí)驗(yàn)儀器的工作，都需要電力。綜合下來，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，完全可以保證航天員在空間站中的日常生活。
時刻保持“電力在線”
二次展開技術(shù)首亮相
在觀看載人航天發(fā)射直播時，我們常常會聽到一系列遙控口令：船箭分離、太陽能帆板展開、調(diào)整飛行姿態(tài)……對于飛行器來說，太陽翼的成功在軌展開是發(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，科研人員必須對太陽翼進(jìn)行折疊或壓縮。在太空中，太陽翼舒展打開，并在航天器飛行過程中不斷調(diào)整方向，盡量對準(zhǔn)太陽，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合攏雙翼，在展翅高飛時翱翔長空。所以，展開是太陽翼正式服役的標(biāo)準(zhǔn)動作。此次問天實(shí)驗(yàn)艙太陽翼就以全世界首創(chuàng)的“二次展開”精彩亮相。
關(guān)于這兩個大型太陽翼的太空首秀，研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過了一番深思熟慮。
在與“天和”交會對接時，一對長且柔的大翅膀勢必會影響對接的準(zhǔn)確度。交會對接往往是最驚心動魄的時刻——兩個數(shù)十噸重的航天器，以約7.9千米/秒的速度運(yùn)動，稍有偏差，航天器就會發(fā)生碰撞。如果太陽電池翼完全展開，實(shí)驗(yàn)艙就好比兩只手各持一面巨大的帆，微小的抖動，都會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)艙的速度、相對位置和飛行姿態(tài)的控制精度下降，控制難度指數(shù)級增加。
因此，研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，制定了太陽翼“兩步走”展開戰(zhàn)略。問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射后，柔性太陽翼會展開一部分電池板，滿足實(shí)驗(yàn)艙的基本需求。等到交會對接后，再完全展開。整個過程持續(xù)80分鐘，可謂“步步驚心”。
第一次展開持續(xù)時間約30分鐘，有五個動作：首先，“熱身運(yùn)動”解除太陽翼的固定；緊接著，抬升機(jī)構(gòu)“俯仰運(yùn)動”將太陽翼從艙壁上立起；隨后，展開鎖定機(jī)構(gòu)“擴(kuò)胸運(yùn)動”將兩個太陽電池陣向兩側(cè)展開；接下來，約束釋放機(jī)構(gòu)“轉(zhuǎn)體運(yùn)動”解除收藏箱的約束；最后，伸展機(jī)構(gòu)“伸展運(yùn)動”井然有序地推開20塊電池板。這個過程如同太陽翼在太空做了一套“廣播體操”。
在交會對接完成后，開始第二次展開，歷時50分鐘。約束釋放機(jī)構(gòu)再次“登場”，搭檔實(shí)驗(yàn)艙太陽翼獨(dú)有的二次解鎖裝置，為其余64塊電池板解除約束。
整個展開過程，數(shù)節(jié)伸展機(jī)構(gòu)依次向外推出，帶動太陽翼向外展開，像是一架被緩緩拉開的手風(fēng)琴，在宇宙中奏響美妙樂章。當(dāng)然，憑借其“高可靠可重復(fù)展收”的硬核技術(shù)，問天實(shí)驗(yàn)艙太陽翼不僅可以在太空中收放自如、剛?cè)岵?jì)，還能助力空間站時刻確保“電力在線”。
受太陽入射角和空間站飛行姿態(tài)的影響，太陽翼的發(fā)電效率會因時段不同、姿態(tài)不同而產(chǎn)生相應(yīng)變化。為了讓“柔性翅膀”24小時不間斷追蹤太陽，保持最高發(fā)電效率為空間站保障用電，問天實(shí)驗(yàn)艙首次采用太陽翼雙自由度同時轉(zhuǎn)動，確保陽光垂直照射在太陽翼上。
為了實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，設(shè)計(jì)師們自主研制出我國目前設(shè)計(jì)規(guī)模最大、連續(xù)工作壽命最長、傳輸功率最大的大型回轉(zhuǎn)運(yùn)動類空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品——對日定向裝置，有了它的加持，將保證空間站源源不斷獲得能量供給。
問天實(shí)驗(yàn)艙模擬圖。中國航天科技集團(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，問天實(shí)驗(yàn)艙柔性太陽翼經(jīng)過兩次展開，“滿翼齊飛”的問天實(shí)驗(yàn)艙更顯巍峨多姿。
據(jù)介紹，柔性太陽翼之所以沒有在交會對接前全部展開，其中一個原因就是為了減少柔性太陽翼振動對交會對接任務(wù)的影響。
相比于此前我國航天器使用的剛性太陽翼和半剛性太陽翼，柔性太陽翼更加柔軟，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，帆板就會被激發(fā)而振動起來。這使得它特別容易振動，如果控制不好，每次“溫柔一振”都可能對航天任務(wù)造成致命影響。如果任由這種振動發(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對接；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翼控制基礎(chǔ)上，發(fā)展了對柔性太陽翼振動抑制的方法，用“四兩撥千斤”的方式，讓其在太空中“平穩(wěn)翱翔”。
算法是抑制太陽翼振動的核心技術(shù)?？蒲腥藛T首先通過理論分析和實(shí)驗(yàn)去識別引起太陽翼振動的源頭，然后通過精細(xì)的數(shù)學(xué)仿真和大量的物理仿真，總結(jié)出針對不同情況下控制太陽翼振動的算法。
這個控制的基本過程大致為：首先通過攝像機(jī)觀察等手段去識別柔性太陽翼的振動參數(shù)，然后計(jì)算機(jī)通過相應(yīng)的算法來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，我國自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的控制方法正適合中國航天器的“體質(zhì)”。
此外，2個太陽電池翼完全展開后總面積超過276平方米、厚度只有0.7毫米。它們就像在太空中舞動的兩面巨大扇子，任何“風(fēng)吹草動”都能讓它晃晃悠悠。除了配置的驅(qū)動裝置進(jìn)行控制，太陽翼上還有一個特殊裝置也是功不可沒——其外表看上去是一根簡單的鋼絲繩，實(shí)際是一套恒力彈簧繩索系統(tǒng)。通過它的不斷伸縮，能夠保證太陽翼在太空復(fù)雜的環(huán)境中保持足夠剛度和姿態(tài)控制。