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全球观焦点：为太空豪宅供电不在话下 我国面积最大的柔性太阳翼亮相空间站

来源： 时间： 2022-07-25 09:43:43

图说：两对大型柔性太阳电池翼是我国空间站不折不扣的“能量源泉” 来源/新华社

如果此刻你有一个天文望远镜，请把它的镜头对准太空中的中国空间站，你会看到两大两小橙色的光影,成为太空中一道靓丽的风景线。这四道橙色的光便是空间站天和核心舱、问天实验舱的两对大型柔性太阳电池翼，该电池翼由中国航天科技集团八院抓总研制，在全球的航天产品中，其技术水平和功能性能指标也是名列前茅，是我国空间站不折不扣的“能量源泉”。

大块头、轻量化、大能量


(资料图)

本次大型柔性太阳翼并不是我国该类产品的首次亮相， 2021年4月29日成功发射的空间站天和核心舱应用了我国首型大型柔性太阳电池翼，展开面积达67平米，相当于一个标准单打羽毛球场的大小。时隔一年多，这一面积就被其兄弟问天实验舱刷新了，其配置了2个单翼展开面积超过134平米的“翅膀”，功率高达18千瓦，是名副其实的plus版，4个这样的太阳电池翼就能提供空间站建成后“天和+问天+梦天”三舱组合体80%的能量。

别看plus版太阳翼是个大块头，八院的设计师却严格控制了其体重，粘贴太阳能电池片的太阳翼基板采用超薄型轻质复合材料，对用来防护空间环境的胶层涂覆厚度也进行了严格控制。比起传统的刚性、半刚性太阳翼，柔性翼全部收拢后厚度只有18厘米，与一部手机的长度相当，仅为刚性太阳翼的1/8。只有严格“瘦身”，它才能与实验舱一起乘坐长征五号B翱翔太空。

减体重、减体积，但不减功能和能量。问天实验舱在轨运行后，搭载的天文、地理、生物、医学等各类科学仪器将陆续工作，同时航天员的日常生活也离不开能源，综合下来，三名航天员一天工作、生活的用电量预计为320度左右，传统的刚性、半刚性太阳电池翼因其体积、重量、功率等因素的限制无法满足这一需求，而柔性翼体积小、展开面积大、功率重量比高，18千瓦的电能在满足舱内所有设备正常运转的同时，也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。

80分钟三维七步展开：二次展开技术首亮相

对于飞行器来说，搭载运载火箭成功进入预定轨道仅仅是“行百里路半九十”，太阳翼的成功在轨展开是发射任务圆满成功的重要标志。

问天实验舱太阳翼将采用三维七步的动作，分两个阶段展开，整个过程持续80分钟，可谓分分钟牵动设计师的心。为什么全世界首创了“二次展开”的关键技术？主要是为了确保交会对接这个关键动作的绝对安全。交会对接过程中两个数十吨级的航天器，以约7.9km/s的速度运动，需要精准地控制它们的位置、速度、姿态才能保证可靠的对接，稍有偏差航天器就会发生碰撞。如果太阳电池翼完全展开，实验舱就好比两只手各持一面巨大的帆，微小的抖动，都会导致实验舱的速度、相对位置和飞行姿态的控制精度严重下降，控制难度指数级增加。

八院设计团队突破了“二次展开”的关键技术，在实验舱发射后独立飞行阶段，柔性太阳电池翼首先展开一部分电池板以满足实验舱能量需求，可以降低飞行控制难度使得交会对接又稳又准。在对接完成后，再次完成全展开，建立完整的能源系统。

三维七步的动作，有五个动作在“第一次展开”实施，持续时间约30分钟。形象地说，太阳电池翼在太空做了一套标准的“广播体操”动作：首先，火工品“热身运动”起爆，解除太阳翼的固定；紧接着抬升机构“俯仰运动”将太阳翼从舱壁上立起；随后，展开锁定机构“扩胸运动”将两个太阳电池阵向两侧展开；约束释放机构“转体运动”解除收藏箱的约束；最后伸展机构“伸展运动”井然有序地推开20块电池板。

在交会对接完成后，开始“第二次展开”过程，历时50分钟，约束释放机构再次登场，搭档实验舱太阳翼独有的二次解锁装置，为其余64块电池板解除约束，展示了世界独创的柔性翼二次展开技术。伸展机构依旧稳如泰山，如同金箍棒一般越伸越长，直到将这个百平米的大块头完全展开。

整个展开过程，数节伸展机构依次向外推出，带动太阳翼向外展开，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。为了实现安全可靠且一次性成功展开，八院柔性翼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、一气呵成的高可靠性；同时，伸展机构所具备的高刚度、高强度的特点，完全可以支撑柔性翼在飞行过程中始终保持稳定姿态，自由翱翔。

“丝绸扇”在太空双自由度转动

问天实验舱柔性翼与核心舱柔性翼相比，还有一个难点，就是需要在轴向和径向实现双自由度的对日定向。根据我国空间站的“T字”构型，核心舱处于T字一“竖”的位置，问天实验舱和后续的梦天实验舱共同构成T字一“横”。本次问天实验舱成功发射后先在“竖”的方向与核心舱进行交会对接形成“I字”组合体，此时太阳与组合体处于同一方位，太阳电池翼只需在轴向几天转动一个角度，确保太阳光垂直入射太阳电池片。后续，按照任务进程，问天实验舱将转动到核心舱侧面，形成“L字”构型，随着组合体在圆形轨道运行，实验舱相对太阳的位置一直在变动，这一变动就产生了太阳方位角，为了消除太阳方位角的偏差最大范围接受太阳入射，太阳翼每天需要在径向转动十几圈，这对于又大、又薄的太阳电池翼来说，着实是莫大考验。

2个太阳电池翼总面积超过268平米、厚度只有0.7毫米，控制这么大的太阳电池翼，就像在太空中舞动两面巨大的扇子，而这个扇子是由柔然如水的丝绸制成的，可以说，任何的风吹草动都能让它晃晃悠悠摆动。除了配置的驱动装置进行控制，太阳翼上的张紧机构也是功不可没。

外表看是一根简单的钢丝绳，实际是一套恒力弹簧绳索系统，通过它的不断伸缩能保证太阳翼在太空复杂的环境中的足够刚度和姿态控制。为确保太阳翼在轨服役期间的“万无一失”，团队经过多年攻关，地面完成了40万次热真空疲劳寿命试验、100万次常温常压寿命试验，充分验证了产品的高可靠、长寿命。 

新民晚报记者 叶薇 通讯员 程雷  胡芳芳

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