“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”，我們為您介紹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運行，太陽翼并非時時刻刻正對著太陽。時段不同、姿態不同，太陽翼的發電效率也會隨之發生相應的變化。為此，中國航天科技集團的科研人員研發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穩定對日的呢？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，它可以實時監測太陽光的入射角度，并將相關信息發送給對日定向裝置內部的旋轉變壓器。接收到相關信息后，姿態控制系統會給對日定向裝置發送控制指令，對日定向裝置即可開展自主運動規劃，精準調整自身狀態。
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。
相比于地球上穩定的一年四季和相對緩慢的溫度變化，太空的環境要復雜得多。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”的外部環境。
讓空間站收獲“穩穩的幸福”
想象一下，如果我們雙手各持一把大扇子，以手腕為圓心長時間做360°旋轉，恐怕用不了多久，雙手就會不受控制地發抖了。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旋轉、穩定對日。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，一直是研究人員攻關的重點課題。如果太陽翼轉動不平穩，會直接反作用于空間站上，導致空間站姿態控制出現困難，甚至會讓航天員在艙內“暈車”。
于是，“大柔性高穩定伺服控制系統”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”，實現對太陽的穩定跟蹤。
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“穩穩的幸福”。
據研究人員介紹，這套系統還能通過控制參數調整，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，是通過發電廠龐大的電網系統輸送到千家萬戶，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萬瓦級電能傳輸到空間站內，搭建起一條穩定高效的“能源生命線”，讓空間站真正實現“用電無憂”？
通常來說，如今世界上大部分航天器都采用傳統的滑環導電傳輸方式。滑環就是用于連通、傳輸能源的“旋轉關節”。滑環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控制系統、云臺、太陽翼連接處等子系統上，發揮了巨大的作用。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了超大功率和超長壽命的滾環電傳輸機構，實現了國內首次以滾動替代滑動接觸方式的大功率傳輸。滾環的樣子就像一個圓滾滾的輪胎，總體呈圓環狀。它采用類似滾動軸承的運動原理，包括“內環體”和“外環體”，內外環體之間嵌入多個“柔性環”。運行時，外環固定不動，內環轉動，內、外環體分別通過電纜與艙外和艙內各設備實現電氣連接。
為了驗證滾環的高可靠、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電時，地球上，科研人員也在用自己對中國航天事業的愛意為空間站“發電”。
回顧十多年的研制歷程，有挫折，有質疑，更有無數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；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逐日而行，守護中國空間站安全平穩。
