“首秀”成功!空间站大型对日定向装置很吸睛

2022-07-29 13:13 ​中国载人航天阅读 (13205) 扫描到手机

2022年7月28日,在随问天实验舱发射4天后,随舱上行的我国首个大型对日定向装置正式登台亮相,成功完成一系列在轨性能测试,各项指标均表现优异,我国空间站成功实现双自由度对日定向。

什么是“对日定向装置”?简单来说,它主要负责驱动太阳翼转动以及舱内外能源的传输,是中国空间站工程立项初期最先提上日程的关键技术之一。未来空间站建造完成后,舱内各类科学仪器、有效载荷,包括维持航天员生命系统的重要设备所需要的电能,都要依赖大型对日定向装置从舱外向舱内进行高效可靠的传输。可以说,它是空间站名副其实的“能源卫士”。

劲头足、也要转得动

为了保障空间站的用电需求,问天实验舱上配置的大型柔性太阳翼单翼长度27米、有效发电面积约110平方米,可以保障空间站源源不断的能源输入。但驱动起这两副柔性太阳翼在太空中流畅“划圈”,让它们可以全天候接收到来自太阳光的照射,并非易事。如果想象我们单手拿一把27米长的“芭蕉扇”,并以手腕为圆心做360°旋转,这就需要我们的手腕具有很强的承重能力和转动力量。而实验舱上的对日定向装置就相当于我们的手腕,它需要带动太阳翼持续旋转、稳定对日。

空间站对日定向装置为整舱提供不竭能源,但常年驻守舱外所面临的空间环境会对大型转动类机构产生严酷考验。如何保证对日定向装置驱动太阳翼传动准确的同时又不会发生运动卡滞,这对研制团队而言是个巨大挑战。为此,研制团队开展头脑风暴、全新设计了一套国内首创的“分布式回转支撑驱动传动方案”,可以确保大导轨在高低温热胀冷缩产生变形的情况下,依然可以支撑驱动机构流畅转动,带动两个巨型太阳翼实时跟踪太阳。同时,团队还给对日定向装置加了一层“控温外套”,保障对日定向装置在长期的极端高低温外部环境下,始终处于适宜的温度范围。

效率高、也要传得快

我们日常生活中的用电,是通过发电厂庞大的电网系统输送到千家万户,而在太阳系中,太阳就是一个天然的“大型发电厂”。但如何将大型柔性翼产生的数万瓦级电能传输到空间站内,搭建起一条稳定高效的“能源生命线”,让空间站真正实现“用电无忧”?

通常来说,大部分航天器都采用传统的滑环导电传输方式,简单来说,滑环就是用于连通、传输能源的“旋转关节”,但因这种方式存在滑动磨损,因此一般适用于千瓦级传输功率的航天器;而空间站的功率传输需求是普通航天器的20多倍,设计寿命要求高,面对滑动摩损产生的巨大电能消耗,空间站表示“零容忍”!为此,研制团队首创了超大功率和超长寿命的滚环电传输机构,实现了国内首次以滚动替代滑动接触方式的大功率传输。为了验证滚环的高可靠、高效率、长寿命,研制团队在地面进行了20万圈的加速寿命试验考核,相当于等效在轨工作34年,以100%的产品可靠性确保空间站能源通路的高效畅通。

对得准、也得控得稳

空间站在轨飞行过程中,如何保持太阳翼时刻对准太阳?对日定向装置“肚子”里装有能实时采集太阳转动角度信息的旋转变压器,在接收到姿态控制系统下达的运动模式要求后,对日定向装置可以通过开展自主运动规划,精准调整自身状态,从而让太阳翼像“向日葵”一样实现稳定对日。

“除了对得准,更难的是如何将这么大、这么软的太阳翼控制平稳。”这是研制团队在设计时共同的考量和担心。太阳翼有效发电总面积约220平米,整翼长55米,但却只有打印纸这么软,任何的轻微振动都能让它晃晃悠悠摆动。如果太阳翼转动不平稳,将导致空间站姿态控制出现困难。因此,“大柔性高稳定伺服控制系统”应运而生,这套为对日定向装置量身打造的控制方案,让太阳翼能够“长袖善舞”,实现对太阳的稳定跟踪控制。

更厉害的是,当太阳电池翼受到外界干扰而导致抖动时,对日定向装置的控制系统能非常灵敏地察觉,并进行“快速安抚”,就像“太极推手”一样化有形于无形,在不到30秒的时间内,就能将太阳翼弹性振动能量及时耗散,给空间站“稳稳的幸福”。

高可靠、也得箍得牢

问天实验舱此次搭乘的“运载专列”,是为空间站建造量身定制的长征五号B运载火箭。它以其安全、精准、可靠,竭诚为空间站“大客户”提供优享服务。但在火箭的飞行阶段,问天实验舱还是不可避免地会承受很大的上升段载荷,特别是对日定向装置安装在实验舱最末端的资源舱上,进入火箭整流罩后处于最顶端,受到首当其冲的巨大压力。“道路千万条,安全第一条。”为了避免火箭发射阶段让对日定向装置的“小心脏”不堪重负,设计团队采用了一种新型W型包带,也就是给对日定向装置系上了多重保护的“安全带”,让它在飞行过程中更安心。在实验舱顺利入轨后,“安全带”收到指令、释放解除,从而让对日定向装置自由地驱动起它的小马达,开启它的逐日旅程。

本次在轨试验是大型对日定向装置在我国空间站组建过程中的“首秀”,试验的圆满成功将为后续空间站组建以及在轨运营奠定坚实的基础。