空间站上的大型对日定向装置是做什么用的？

航空知识

2024-12-01 14:15发布于北京《航空知识》杂志官方账号

2022年11月3日，梦天实验舱顺利完成转位，我国空间站“T”字基本构型在轨组装完成。随后，问天和梦天实验舱最外侧的四副大型柔性太阳翼开始双自由度转动，正式开启了太阳翼长达十余年的对日定向旅程，我国空间站实现“比翼双飞”。

问题一：

什么是“双自由度对日定向”？

我国空间站一天绕地球飞行16圈左右，为了让太阳翼可以像向日葵一样实现稳定对准太阳，确保每一缕阳光都垂直照射在太阳翼上，我国空间站问天和梦天两个实验舱太阳翼均设置了α与β两个对日定向自由度，通过进行两个相互垂直方向的运动，实现太阳翼最大的发电效率。

形象地说，空间站在太空中像是一艘遨游在海面上的船，太阳翼就像是一面巨大的“帆”，需要实时调整这个“帆”的角度，以实现太阳光最大范围地照在太阳翼上，保证发电效率。为此，设计师们在太阳翼与舱体连接的端点上，安装了两种驱动机构。驱动机构的功能是通过自身运动驱动太阳翼随太阳光角度转动。实验舱上安装的两种驱动机构，将通过不同的工作模式，驱动太阳翼进行翻转和旋转运动。比如其中一种机构，可以根据空间站在轨运动及其与太阳的角度，让太阳翼绕着实验舱轴向进行360°旋转，确保翼面时刻向着太阳；另一种机构，可以让太阳翼翼面根据太阳入射角进行横向调整，确保翼面最大限度地接受阳光照射，提升发电能力。以我们的手部运动为例，一种机构实现手心手背前后翻转、另一种机构实现手腕360°旋转。这就是太阳翼双自由度对日定向的简单原理。

问题二：

什么是“对日定向装置”？

在问天与梦天实验舱上，均配置了对日定向装置，也就是负责太阳翼进行360°旋转的机构。简单来说，对日定向装置主要有两个作用，一是负责驱动问天和梦天实验舱两翼太阳翼的整体转动，二是负责将太阳翼产生的能源向舱内传递。

是“卫士”，更是“猛士”

为了保障空间站的用电需求，实验舱上配置的柔性太阳翼双侧总面积276平方米、总质量达到1.2吨，由于头顶着这么一对“大翅膀”，大型对日定向装置必须做到劲头足、转得动。如果想象我们单手握起两把均为27米长且转动惯量超大的“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。

干的是“体力活”，更是“精细活”

对日定向装置内部安装有精密的角度信息检测传感器。在太阳翼转动的同时，一边实时采集转动角度信息，并上传给姿态控制系统，同时姿态控制系统根据空间站运行轨道的转动角度，发出运动控制指令，对日定向装置随即开展自主运动规划，时刻精准调整自身状态。

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。单个实验舱的太阳翼双侧展开后的总面积为276平方米，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”。

蓄势待发，先要打通“能源脉络”

对于空间站来说，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”，然而这种方式由于存在滑动磨损，一般仅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，如果再选择滑环导电传输方式，其滑动摩擦产生的损耗对空间站来说可谓是一笔不小的能源浪费。为此，对日定向装置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。滚环的样子就像一个圆滚滚的轮胎，总体呈圆环状。它采用类似滚动轴承的运动原理，包括“内环体”和“外环体”，内外环体之间嵌入多个“柔性环”。运行时，外环固定不动，内环转动，内、外环体分别通过电缆与舱外和舱内各设备实现电气连接。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，相当于在轨工作34年，以高可靠性确保空间站能源通路的高效畅通。

浩瀚的太空之中，橙色的太阳翼伸展着翅膀，翅膀之下，大型对日定向装置和驱动机构柔和平稳地转动着，带着“天宫”逐日前行。此时此刻，属于对日定向装置和驱动机构的表演才刚刚开启，它们将全力保障好属于中国人自己的空间站比翼双飞、行稳致远。

来源/上海航天

文/李同、钱志源

编辑/杨斯爽

审核/穆檀

监制/姜军

本文来源：上海航天

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