什么是“日本定向裝置”？簡單來說，它主要負責驅(qū)動太陽翼旋轉(zhuǎn)，傳輸艙內(nèi)外能量。它是中國空間站工程前期首先提上日程的關(guān)鍵技術(shù)之一。未來空間站建設完成后，艙內(nèi)各種科學儀器和有效載荷，包括維持宇航員生命系統(tǒng)的重要設備所需的電能，將依靠大型太陽定向裝置高效可靠從機艙外向機艙內(nèi)傳輸?？梢哉f，它是名副其實的空間站“能量守護者”。
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你有足夠的能量并且你必須能夠轉(zhuǎn)動
為了滿足空間站的電力需求，問天實驗艙配備了長27米的大型柔性太陽翼，有效發(fā)電面積約110平方米，可以保證持續(xù)的能源輸入到空間站。但要驅(qū)動這兩對柔性太陽翼在太空中平穩(wěn)地“盤旋”，使其能夠全天接收來自太陽的陽光，卻并不容易。如果我們想象一下，我們一只手拿著一把27米長的“香蕉扇”，以手腕為圓心旋轉(zhuǎn)360，這就要求我們的手腕有很強的承重能力和旋轉(zhuǎn)力量。實驗艙上的太陽定向裝置相當于我們的手腕。它需要帶動太陽翼繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定太陽。
空間站的太陽定向裝置為整個艙室提供了不竭的能源，但常年駐扎在艙外所面臨的太空環(huán)境將嚴峻考驗大型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。如何確保太陽定向裝置準確驅(qū)動太陽翼傳動裝置而不造成運動干擾，是開發(fā)團隊面臨的巨大挑戰(zhàn)。為此，開發(fā)團隊集思廣益，設計了一套國內(nèi)首創(chuàng)的全新“分布式回轉(zhuǎn)支撐驅(qū)動傳動方案”，可以保證大型導軌即使受熱變形，仍能支撐平穩(wěn)的驅(qū)動機構(gòu)。高溫和低溫下的膨脹和收縮。旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動兩個巨大的太陽翼實時跟蹤太陽。同時，團隊還為太陽定向裝置加入了“溫控外套”，保證太陽定向裝置在長期極端高低溫的外部環(huán)境下始終處于合適的溫度范圍。
效率高、傳輸速度快
我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾娏Χ际峭ㄟ^發(fā)電廠龐大的電網(wǎng)系統(tǒng)輸送到千家萬戶的，而在太陽系中，太陽就是一座天然的“大型發(fā)電廠”。但如何將大型柔性機翼產(chǎn)生的數(shù)萬瓦電能傳輸?shù)娇臻g站，構(gòu)建穩(wěn)定高效的“能源生命線”，讓空間站真正實現(xiàn)“用電無憂”呢？
一般來說，大多數(shù)航天器都采用傳統(tǒng)的滑環(huán)導電傳輸方式。簡單來說，滑環(huán)就是一個用于連接和傳輸能量的“旋轉(zhuǎn)接頭”。但由于該方法存在滑動磨損，一般適用于千瓦級傳輸功率的A航天器；空間站的動力傳輸要求是普通航天器的20倍以上，設計壽命要求高。面對滑動磨損帶來的巨大電力消耗，空間站表示“零容忍”！為此，開發(fā)團隊首創(chuàng)了超高功率、超長壽命的滾環(huán)電氣傳動機構(gòu)，實現(xiàn)了國內(nèi)首次采用滾動接觸而非滑動接觸的大功率傳動。為了驗證滾環(huán)的高可靠性、高效率和長壽命，研發(fā)團隊在地面進行了20萬圈的加速壽命試驗評估，相當于在軌工作34年，確?？臻g站能源接入，產(chǎn)品可靠性100%。高效、流暢。
它必須精確對準并穩(wěn)定控制。
空間站在軌道飛行過程中如何保持太陽翼與太陽對齊？太陽定向裝置的“肚皮”上裝有旋轉(zhuǎn)變壓器，可以實時采集太陽的旋轉(zhuǎn)角度信息。太陽定向裝置接收到姿態(tài)控制系統(tǒng)的運動模式要求后，通過自主運動規(guī)劃，精確調(diào)整自身狀態(tài)。這使得太陽翼能夠像“向日葵”一樣實現(xiàn)與太陽的穩(wěn)定對準。
“除了精確對準之外，更困難的是如何順利控制如此大而柔軟的太陽翼。”這是開發(fā)團隊在設計時共同的考慮和擔憂。太陽翼總有效發(fā)電面積約220平方米，整個翼長55米。然而，它的柔軟程度僅與打印紙一樣，任何輕微的振動都會使其晃動。如果太陽翼旋轉(zhuǎn)不均勻，將會給空間站姿態(tài)控制帶來困難。因此，“大柔性高穩(wěn)定性伺服控制系統(tǒng)”應運而生。這種為太陽定向裝置量身定制的控制方案，讓太陽翼“長袖起舞”，實現(xiàn)對太陽的穩(wěn)定跟蹤和控制。
更神奇的是，當太陽能電池翼受到外界干擾而晃動時，太陽定向裝置的控制系統(tǒng)能夠非常靈敏地檢測到并“迅速安撫”它，就像“太極推手”一樣，這使得它是看不見的。不到30秒，太陽翼的彈性振動能量就能及時消散，給空間站帶來“穩(wěn)定的幸福感”。
可靠性高，但也需要牢固固定
此次問天實驗艙乘坐的“運載列車”是為空間站建設量身定制的長征五號乙運載火箭。以其安全、準確、可靠，竭誠為空間站“大客戶”提供優(yōu)惠服務。但在火箭飛行階段，問天實驗艙在上升階段不可避免地要承受較大的載荷，特別是太陽定向裝置安裝在實驗艙末端的資源艙上，且在上升階段處于頂部。進入火箭整流罩。首當其沖承受著巨大的壓力。 “道路千萬條，安全第一。”為了防止向日定向裝置的“小心臟”在火箭發(fā)射階段被壓垮，設計團隊采用了新型W形綁帶，用于將向日定向裝置固定在火箭上。太陽。配備多重保護“安全帶”，讓飛行過程更加安全。實驗艙成功入軌后，“安全帶”接到命令，松開，太陽定向裝置就可以自由地驅(qū)動它的小電機，開始它的日常旅程。
此次在軌測試是我國空間站建設過程中大型太陽定向定向裝置的“首秀”。此次試驗的圓滿成功，將為后續(xù)空間站建設和在軌運行奠定堅實基礎。
來源/上海航天技術(shù)研究院
