7月24日，問天實驗艙在文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。今年還將迎接夢天實驗艙、天舟五號、神舟十五號接續(xù)造訪。這個在軌質(zhì)量達百余噸重的空間站組合體，其姿態(tài)控制難度是我國航天飛行任務中史無前例的。讓空間站“坐如鐘、行如風”的秘訣是什么?艙內(nèi)重要設(shè)備所需要的電能如何解決?
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航天器傳統(tǒng)的姿態(tài)控制辦法是通過RCS姿態(tài)控制動力系統(tǒng)(Reaction control system)進行姿態(tài)調(diào)整，需上行并消耗大量推進劑，效費比極低，不適用于大型航天器的姿態(tài)控制。
空間站在日常運行過程中，其姿態(tài)受地球高層大氣、太陽電磁輻射、引力場等多種因素影響會有所變化，搭載的多項載荷也都有特定的指向需求，尤其是大型柔性太陽翼有動態(tài)對日定向要求。
因此，空間站的穩(wěn)定運行需要一個能穩(wěn)住它的強性能“神器”——控制力矩陀螺。它是航天器姿態(tài)控制的慣性執(zhí)行部件，通過高速旋轉(zhuǎn)的飛輪獲得角動量，并通過改變角動量的方向來對外輸出力矩。相較RCS姿控系統(tǒng)，它除了零燃料消耗的天然優(yōu)勢，還有對航天器柔性部件干擾最小化的優(yōu)勢，對于大型空間站而言，更是不可或缺的核心技術(shù)裝備。
萬里穿針，沒有它不行；建設(shè)空間站，沒有它不行；發(fā)展快速機動航天器，沒有它不行……控制力矩陀螺的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品研發(fā)曾是中國空間技術(shù)發(fā)展遭遇的“攔路虎”。1991年，我國開始論證空間實驗室和空間站項目，控制力矩陀螺作為“重器”被提了出來，中國人確信“核心技術(shù)是買不來的”，所以在論證伊始便堅定選擇了自力更生。
我國第一臺上天的是200Nms(牛米秒)控制力矩陀螺。2011年成功發(fā)射入軌的天宮一號上配置了6臺這樣的力矩陀螺，其在軌應用成為我國空間機電部件發(fā)展的一個里程碑，也使我國成為繼美俄后世界上第三個掌握該技術(shù)的國家。
自天宮一號后，科研團隊陸續(xù)研發(fā)出了角動量范圍覆蓋0.1Nms到1500Nms的產(chǎn)品，形成了滿足我國各類空間飛行器姿態(tài)機動與姿態(tài)控制需求的全系列控制力矩陀螺產(chǎn)品型譜。較第一代產(chǎn)品，新研制的控制力矩陀螺具有精度高、響應快、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，可滿足我國當前各類空間飛行器的姿態(tài)控制要求。
空間站任務把控制力矩陀螺在中國航天器上的使用提升到了一個新高度。其他航天器的控制力矩陀螺安裝在艙內(nèi)，工作環(huán)境較為單一，而空間站上的控制力矩陀螺需要同時適應艙內(nèi)、艙外兩種工作環(huán)境。由于極大的溫差和真空度變化等因素，給產(chǎn)品關(guān)鍵部位潤滑和整機散熱問題帶來了很大挑戰(zhàn)。特別是針對艙外200多 的溫差，研制人員必須進行專門的熱控設(shè)計，同時對艙內(nèi)產(chǎn)品開展減振降噪工作，以符合艙內(nèi)噪聲指標要求。
作為復雜的空間機電類產(chǎn)品，控制力矩陀螺工作環(huán)境惡劣、壽命要求長，要求每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)連續(xù)工作多年，在軌發(fā)生故障的概率較大。因此，為保證空間站的壽命與可靠性，控制力矩陀螺還需具備在軌更換能力。
中國空間站使用的控制力矩陀螺是目前角動量最大的1500Nms，并采用了兩艙“6+6”的配置。其中有6臺已安裝在核心艙大柱段與小柱段連接錐面外壁上，另外6臺則將安裝在問天實驗艙。這一配置正是組合體系統(tǒng)級的先進之處，可以融合使用，通過總網(wǎng)絡(luò)按需重構(gòu)。
從“攔路虎”變成技術(shù)高峰，控制力矩陀螺系列產(chǎn)品的研制與應用顯著提升了我國空間飛行器的姿態(tài)機動與姿態(tài)穩(wěn)定控制能力，也推動了我國空間慣性執(zhí)行機構(gòu)的快速發(fā)展。多個控制力矩陀螺的聯(lián)合使用，足以助力空間站“坐如鐘、行如風”，助力載人航天工程的穩(wěn)步發(fā)展。
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空間站大型對日定向裝置很吸睛
2022年7月28日，在問天實驗艙發(fā)射4天后，隨艙上行的我國首個大型對日定向裝置正式登臺亮相，成功完成一系列在軌性能測試，各項指標均表現(xiàn)優(yōu)異，我國空間站成功實現(xiàn)雙自由度對日定向。
什么是“對日定向裝置”?簡單來說，它主要負責驅(qū)動太陽翼轉(zhuǎn)動以及艙內(nèi)外能源的傳輸，是中國空間站工程立項初期最先提上日程的關(guān)鍵技術(shù)之一。未來空間站建造完成后，艙內(nèi)各類科學儀器、有效載荷，包括維持航天員生命系統(tǒng)的重要設(shè)備所需要的電能，都要依賴大型對日定向裝置從艙外向艙內(nèi)進行高效可靠的傳輸。可以說，它是空間站名副其實的“能源衛(wèi)士”。
勁頭足，也要轉(zhuǎn)得動
為了保障空間站的用電需求，問天實驗艙上配置的大型柔性太陽翼單翼長度27米、有效發(fā)電面積約110平方米，可以保障空間站源源不斷的能源輸入。但驅(qū)動起這兩副柔性太陽翼在太空中流暢“劃圈”，讓它們可以全天候接收到來自太陽光的照射，并非易事。如果想象我們單手拿一把27米長的“芭蕉扇”，并以手腕為圓心做360 旋轉(zhuǎn)，這就需要我們的手腕具有很強的承重能力和轉(zhuǎn)動力量。而實驗艙上的對日定向裝置就相當于我們的手腕，它需要帶動太陽翼持續(xù)旋轉(zhuǎn)、穩(wěn)定對日。
空間站對日定向裝置為整艙提供不竭能源，但長年駐守艙外所面臨的空間環(huán)境會對大型轉(zhuǎn)動類機構(gòu)產(chǎn)生嚴酷考驗。如何保證對日定向裝置驅(qū)動太陽翼傳動準確的同時又不會發(fā)生運動卡滯，這對研制團隊而言是個巨大挑戰(zhàn)。為此，研制團隊開展頭腦風暴、全新設(shè)計了一套國內(nèi)首創(chuàng)的“分布式回轉(zhuǎn)支撐驅(qū)動傳動方案”，可以確保大導軌在高低溫熱脹冷縮產(chǎn)生變形的情況下，依然可以支撐驅(qū)動機構(gòu)流暢轉(zhuǎn)動，帶動兩個巨型太陽翼實時跟蹤太陽。同時，團隊還給對日定向裝置加了一層“控溫外套”，保障對日定向裝置在長期的極端高低溫外部環(huán)境下，始終處于適宜的溫度范圍。
效率高，也要傳得快
我們?nèi)粘Ｉ钪械挠秒姡峭ㄟ^發(fā)電廠龐大的電網(wǎng)系統(tǒng)輸送到千家萬戶，而在太陽系中，太陽就是一個天然的“大型發(fā)電廠”。但如何將大型柔性翼產(chǎn)生的數(shù)萬瓦級電能傳輸?shù)娇臻g站內(nèi)，搭建起一條穩(wěn)定高效的“能源生命線”，讓空間站真正實現(xiàn)“用電無憂”?
通常來說，大部分航天器都采用傳統(tǒng)的滑環(huán)導電傳輸方式。簡單來說，滑環(huán)就是用于連通、傳輸能源的“旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)”，但因這種方式存在滑動磨損，因此一般適用于千瓦級傳輸功率的航天器；而空間站的功率傳輸需求是普通航天器的20多倍，設(shè)計壽命要求高，面對滑動磨損產(chǎn)生的巨大電能消耗，空間站表示“零容忍”!為此，研制團隊首創(chuàng)了超大功率和超長壽命的滾環(huán)電傳輸機構(gòu)，實現(xiàn)了國內(nèi)首次以滾動替代滑動接觸方式的大功率傳輸。為了驗證滾環(huán)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，相當于等效在軌工作34年，以100%的產(chǎn)品可靠性確保空間站能源通路的高效暢通。
對得準，也得控得穩(wěn)
空間站在軌飛行過程中，如何保持太陽翼時刻對準太陽?對日定向裝置“肚子”里裝有能實時采集太陽轉(zhuǎn)動角度信息的旋轉(zhuǎn)變壓器，在接收到姿態(tài)控制系統(tǒng)下達的運動模式要求后，對日定向裝置可以通過開展自主運動規(guī)劃，精準調(diào)整自身狀態(tài)，從而讓太陽翼像“向日葵”一樣實現(xiàn)穩(wěn)定對日。
“除了對得準，更難的是如何將這么大、這么軟的太陽翼控制平穩(wěn)。”這是研制團隊在設(shè)計時共同的考量和擔心。太陽翼有效發(fā)電總面積約220平方米，整翼長55米，但卻只有打印紙這么軟，任何的輕微振動都能讓它晃晃悠悠擺動。如果太陽翼轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)，將導致空間站姿態(tài)控制出現(xiàn)困難。因此，“大柔性高穩(wěn)定伺服控制系統(tǒng)”應運而生，這套為對日定向裝置量身打造的控制方案，讓太陽翼能夠“長袖善舞”，實現(xiàn)對太陽的穩(wěn)定跟蹤控制。
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(tǒng)能非常靈敏地察覺，并進行“快速安撫”，就像“太極推手”一樣化抖動于無形，在不到30秒的時間內(nèi)，就能將太陽翼彈性振動能量及時耗散，給空間站“穩(wěn)穩(wěn)的幸福”。
綜合中國載人航天微信公眾號
