“中國太陽花”綻放太空
——我國空間站大型對(duì)日定向裝置“首秀”成功
■姜景明 李 同 解放軍報(bào)記者 王凌碩
問天艙對(duì)日定向裝置。圖片來自中國載人航天官網(wǎng)
上一期“熱點(diǎn)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(yùn)行，太陽翼并非時(shí)時(shí)刻刻正對(duì)著太陽。時(shí)段不同、姿態(tài)不同，太陽翼的發(fā)電效率也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。為此，中國航天科技集團(tuán)的科研人員研發(fā)出了我國首個(gè)大型對(duì)日定向裝置。它主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)太陽翼轉(zhuǎn)動(dòng)以及艙內(nèi)外能源的傳輸，是空間站名副其實(shí)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(shí)驗(yàn)艙，也有一種讓太陽翼在軌實(shí)時(shí)追蹤太陽的特殊構(gòu)件，那就是配置在實(shí)驗(yàn)艙尾端的大型對(duì)日定向裝置。
對(duì)日定向裝置，這個(gè)看上去充滿動(dòng)感的名字，一經(jīng)提出仿佛就被賦予了生命。作為中國空間站的關(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、有效載荷以及空間站各系統(tǒng)等所需的電能，都要依賴大型對(duì)日定向裝置從艙外向艙內(nèi)進(jìn)行傳輸。
對(duì)日定向裝置又是如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定對(duì)日的呢？原理其實(shí)并不復(fù)雜。
研究人員在太陽翼的末端安裝了一個(gè)太陽敏感器，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽光的入射角度，并將相關(guān)信息發(fā)送給對(duì)日定向裝置內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變壓器。接收到相關(guān)信息后，姿態(tài)控制系統(tǒng)會(huì)給對(duì)日定向裝置發(fā)送控制指令，對(duì)日定向裝置即可開展自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，精準(zhǔn)調(diào)整自身狀態(tài)。
然而，在太空中驅(qū)使太陽翼對(duì)著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)緩慢的溫度變化，太空的環(huán)境要復(fù)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(huì)繞地球一圈。這意味著，地球一天的時(shí)間內(nèi)，空間站會(huì)經(jīng)歷16個(gè)晝夜。離開了大氣層的保護(hù)，空間站不得不直面陽光。當(dāng)空間站運(yùn)行到地球的正面時(shí)，外面驕陽似火；當(dāng)空間站運(yùn)行到地球的背面時(shí)，外面又是天寒地凍。
對(duì)于機(jī)構(gòu)類產(chǎn)品來說，空間環(huán)境造成的熱變形是導(dǎo)致機(jī)構(gòu)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(duì)日定向裝置加了一層“控溫外套”。這讓它既能短時(shí)間內(nèi)耐受附近發(fā)動(dòng)機(jī)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)的幸福”
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(shí)間做360°旋轉(zhuǎn)，恐怕用不了多久，雙手就會(huì)不受控制地發(fā)抖了。而實(shí)驗(yàn)艙上的對(duì)日定向裝置就相當(dāng)于我們的手腕，它需要帶動(dòng)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(zhuǎn)、穩(wěn)定對(duì)日。這對(duì)“手腕”的承重能力和轉(zhuǎn)動(dòng)力量提出了更高要求。
對(duì)日定向裝置是我國目前設(shè)計(jì)規(guī)模最大、電傳輸功率最大、設(shè)計(jì)壽命最長的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品。如果按照以往的機(jī)械傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)，要想滿足所需的承載和驅(qū)動(dòng)能力，僅米級(jí)大軸承重量就能達(dá)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(jī)械傳動(dòng)設(shè)施并不適用。
為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套“分布式回轉(zhuǎn)支撐驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)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(jìn)行支撐的方式不同。對(duì)日定向裝置“化零為整”，在裝置主體圓形導(dǎo)軌和末端之間設(shè)計(jì)了8個(gè)均勻分布的獨(dú)立組件分散受力。這8個(gè)支點(diǎn)的構(gòu)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(gè)主結(jié)構(gòu)。全套設(shè)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(dòng)都能讓它晃晃悠悠擺動(dòng)?！毖芯咳藛T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(guān)的重點(diǎn)課題。如果太陽翼轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)，會(huì)直接反作用于空間站上，導(dǎo)致空間站姿態(tài)控制出現(xiàn)困難，甚至?xí)尯教靻T在艙內(nèi)“暈車”。
于是，“大柔性高穩(wěn)定伺服控制系統(tǒng)”應(yīng)運(yùn)而生。這套為對(duì)日定向裝置量身打造的控制方案，解決了大柔性負(fù)載“既要轉(zhuǎn)，又怕抖”的技術(shù)難題，讓太陽翼能夠“長袖善舞”，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的穩(wěn)定跟蹤。
更厲害的是，當(dāng)太陽翼受到外界干擾而導(dǎo)致抖動(dòng)時(shí)，對(duì)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(shí)間內(nèi)，就能將太陽翼彈性振動(dòng)能量及時(shí)耗散，給空間站“穩(wěn)穩(wěn)的幸?！?。
據(jù)研究人員介紹，這套系統(tǒng)還能通過控制參數(shù)調(diào)整，適應(yīng)對(duì)日定向裝置長期在軌工作后的性能衰減。這樣，對(duì)日定向裝置便有了更長的壽命，能更好地為空間站服務(wù)。
閃耀中國智慧的“能源生命線”
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，而在近地軌道繞行中，太陽就是一個(gè)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(chǎn)生的數(shù)萬瓦級(jí)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，如今世界上大部分航天器都采用傳統(tǒng)的滑環(huán)導(dǎo)電傳輸方式?；h(huán)就是用于連通、傳輸能源的“旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)”?；h(huán)作為航天技術(shù)中必不可少的基礎(chǔ)零件之一，在各類航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)、云臺(tái)、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(dòng)磨損，因此一般適用于導(dǎo)電功率不大，且壽命較短的航天器上。
按照設(shè)計(jì)方案，中國空間站計(jì)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(dǎo)電傳輸方式，其滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的損耗可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。
為此，中國航天科技集團(tuán)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(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次以滾動(dòng)替代滑動(dòng)接觸方式的大功率傳輸。滾環(huán)的樣子就像一個(gè)圓滾滾的輪胎，總體呈圓環(huán)狀。它采用類似滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)原理，包括“內(nèi)環(huán)體”和“外環(huán)體”，內(nèi)外環(huán)體之間嵌入多個(gè)“柔性環(huán)”。運(yùn)行時(shí)，外環(huán)固定不動(dòng)，內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外環(huán)體分別通過電纜與艙外和艙內(nèi)各設(shè)備實(shí)現(xiàn)電氣連接。
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(dāng)太陽翼汲取太陽的能量為中國空間站發(fā)電時(shí)，地球上，科研人員也在用自己對(duì)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(zhì)疑，更有無數(shù)個(gè)通宵達(dá)旦的集智攻關(guān)，以及試驗(yàn)成功的激動(dòng)不已。有的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師結(jié)婚不久，答應(yīng)愛人能及時(shí)回家吃晚飯，卻屢屢爽約……一位設(shè)計(jì)師曾這樣寫道：“縱然這世上永遠(yuǎn)沒有哪一紙獎(jiǎng)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(dāng)中國空間站在蔚藍(lán)星球外劃出最優(yōu)雅的弧線，我們應(yīng)該為自己感動(dòng)?！?/p>
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(duì)日定向裝置一點(diǎn)一點(diǎn)調(diào)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(duì)日定向裝置此次在軌試驗(yàn)，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(hù)中國空間站安全平穩(wěn)。
