为浩瀚太空留下更多中国身影,中国太空飞机试飞

来源:人民网-人民日报海外版

“问天”实验舱飞天效果图。

中国空间站“问天”实验舱和即将发射的“梦天”实验舱都配备巨型柔性太阳能翼。 图为中国空间站在轨运行示意图。

此时此刻,寂寥无垠的太空中,中国空间站组合体在高速飞行。如果用天文望远镜去捕捉它的身影,可以看到组合体有一对巨型、闪着橙光的 “翅膀”,特别引人瞩目。这就是问天实验舱那对超大型柔性太阳能翼。它向着太阳,把光能高效转化为电能,为天宫空间站组合体源源不断地提供充足的能源。

超大尺寸

薄如蝉翼

与其他航天器所用的太阳能翼相比,问天实验舱所配备的这对“翅膀”显然是超大尺寸。其单个长度20多米,两个伸展开来,再加上固定连接机构的长度,总长度超过55米。单翼展开面积可达100多平方米,相当于一套三室一厅公寓的面积。无论是展开面积还是供电能力,这对“翅膀”都达到了天和核心舱太阳能翼的两倍之多。

问天实验舱太阳能翼从面积上看是大尺寸,但是在厚度和重量上却是薄如蝉翼的“羽量级”。太阳能翼使用了柔性三结砷化镓太阳电池阵技术,由十几万片柔性太阳电池组成。这些柔性太阳电池的单板厚度不足1毫米,真可谓薄如蝉翼。为了减轻重量,设计师精心采用超薄型轻质复合材料,作为粘贴太阳能电池片的基板,同时严格控制控制用来防护空间环境的胶层涂覆厚度。

轻盈灵巧

收放自如

问天实验舱柔性太阳能翼非常轻盈灵巧,在执行航天任务的过程中,通过巧妙的设计,适应不同阶段要求,收放自如。

在发射阶段中,问天实验舱柔性太阳能翼宛如合拢的手风琴,紧紧收缩于舱内。在进入在太空后的独立飞行阶段,太阳能翼初步展开,长度为6.5米左右,以满足自身的能量需求。

在完成与天和核心舱空间交会对接后,太阳能翼第二次展开,建立完整的能源系统。问天实验舱柔性太阳能翼之所以分两步完成展开,是因为其完全展开后的超大尺寸容易发生震动,会对空间交会对接过程中的控制精度和稳定性产生影响。

在展开的过程,太阳翼的数节伸展机构依次向外推出,带动整个太阳翼向外徐徐展开,像是一架被缓缓拉开的手风琴,在宇宙中奏响它的美妙乐章。

为了确保安全可靠成功分两步展开,研制团队经过了多次方案论证,在地面进行了大量的高低温、载荷拉偏试验,从而确保了伸展机构在太空中也具备可重复展收的高可靠性。

严苛考验

超长寿命

航天器太阳能翼在轨工作中,会持续暴露在有着强辐射、原子氧等威胁的太空环境中,每天还要经历10余次高至80摄氏度、低至零下110摄氏度的高低温循环考验,实现超长寿命是面临的一大挑战。

为了应对长寿命空间环境适应性挑战,相关科研团队受“丝网印刷”基本原理启发,研制自动化设备,精确控制压力、角度、速度等参数,实现柔性基板防护涂层自动均匀涂覆,并使其顺利通过大剂量原子氧、高低温、紫外等环境考核试验,从而为太阳能翼披上“防护铠甲”。

据了解,相关团队针对问天实验舱太阳能翼材料的性能,运用多重防护手段持续对柔性太阳翼进行评价试验,其中包括一系列热真空疲劳寿命试验和常温常压寿命试验,试验结果表明,问天实验舱太阳能翼的电池寿命可提升至15年。

需求驱动

技术跃升

与传统的硅太阳能电池相比,问天实验舱太阳能翼采用的柔性砷化镓材料具有明显的优势,不仅有良好的抗辐射和耐高温等性能,而且光电转换效率突破30%,达到国际先进水平。该太阳能翼上铺有许多深色玻璃般的“小镜”,每一个“小镜”宛如一座太空“发电站”,经过串联、并联后组成太阳电池阵,能够产生较高的电压和较大的电流,为空间站提供充足的能量。

此前,神舟系列载人飞船采用了第一代刚性太阳电池阵技术,天舟系列货运飞船采用了第二代半刚性模块化太阳电池阵技术。柔性砷化镓太阳能电池是第三代太阳能电池,在中国空间站天和核心舱太阳能翼上,得到首次应用;在问天实验舱的应用中,实现了新的进步。这表明,在太阳能电池技术领域,航天需求成为促进创新的强劲动力,推动中国太阳电池阵技术实现了新的跃升。

调整姿态

追光逐日

受太阳入射角和空间站飞行姿态的影响,太阳能翼的发电效率会因时段不同、姿态不同而产生相应变化。问天实验舱首次采用太阳能翼双自由度同时转动,确保阳光可以垂直照射在太阳翼上。为实现这一目的,问天实验舱使用了中国目前设计规模最大、预期连续工作寿命最长、传输功率最大的大型回转运动类空间机构产品即对日定向装置的阿尔法机构。

阿尔法机构的核心是“对构齿轮传动”,由重庆大学机械传动国家重点实验室陈兵奎教授团队历经8年研制成功。

这是一种新型齿轮传动,其突出的误差适应能力和较高的承载能力,能够满足太空极端高低温交替变化提出的超大空间尺寸形变、高可靠、长寿命等严苛要求。“对构齿轮传动”系统中应用的齿轮,经过实验室试验验证,寿命可以达到25年到30年。

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