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    “中國之翼”太空熠熠生輝
    2022-09-26 10:09
    來源:人民日報海外版
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    “問天”實驗艙飛天效果圖。

      

    中國空間站“問天”實驗艙和即將發射的“夢天”實驗艙都配備巨型柔性太陽能翼。

    圖為中國空間站在軌運行示意圖。

      此時此刻,寂寥無垠的太空中,中國空間站組合體在高速飛行。如果用天文望遠鏡去捕捉它的身影,可以看到組合體有一對巨型、閃著橙光的 “翅膀”,特別引人矚目。這就是問天實驗艙那對超大型柔性太陽能翼。它向著太陽,把光能高效轉化為電能,為天宮空間站組合體源源不斷地提供充足的能源。

      超大尺寸

      薄如蟬翼

      與其他航天器所用的太陽能翼相比,問天實驗艙所配備的這對“翅膀”顯然是超大尺寸。其單個長度20多米,兩個伸展開來,再加上固定連接機構的長度,總長度超過55米。單翼展開面積可達100多平方米,相當于一套三室一廳公寓的面積。無論是展開面積還是供電能力,這對“翅膀”都達到了天和核心艙太陽能翼的兩倍之多。

      問天實驗艙太陽能翼從面積上看是大尺寸,但是在厚度和重量上卻是薄如蟬翼的“羽量級”。太陽能翼使用了柔性三結砷化鎵太陽電池陣技術,由十幾萬片柔性太陽電池組成。這些柔性太陽電池的單板厚度不足1毫米,真可謂薄如蟬翼。為了減輕重量,設計師精心采用超薄型輕質復合材料,作為粘貼太陽能電池片的基板,同時嚴格控制控制用來防護空間環境的膠層涂覆厚度。

      輕盈靈巧

      收放自如

      問天實驗艙柔性太陽能翼非常輕盈靈巧,在執行航天任務的過程中,通過巧妙的設計,適應不同階段要求,收放自如。

      在發射階段中,問天實驗艙柔性太陽能翼宛如合攏的手風琴,緊緊收縮于艙內。在進入在太空后的獨立飛行階段,太陽能翼初步展開,長度為6.5米左右,以滿足自身的能量需求。

      在完成與天和核心艙空間交會對接后,太陽能翼第二次展開,建立完整的能源系統。問天實驗艙柔性太陽能翼之所以分兩步完成展開,是因為其完全展開后的超大尺寸容易發生震動,會對空間交會對接過程中的控制精度和穩定性產生影響。

      在展開的過程,太陽翼的數節伸展機構依次向外推出,帶動整個太陽翼向外徐徐展開,像是一架被緩緩拉開的手風琴,在宇宙中奏響它的美妙樂章。

      為了確保安全可靠成功分兩步展開,研制團隊經過了多次方案論證,在地面進行了大量的高低溫、載荷拉偏試驗,從而確保了伸展機構在太空中也具備可重復展收的高可靠性。

      嚴苛考驗

      超長壽命

      航天器太陽能翼在軌工作中,會持續暴露在有著強輻射、原子氧等威脅的太空環境中,每天還要經歷10余次高至80攝氏度、低至零下110攝氏度的高低溫循環考驗,實現超長壽命是面臨的一大挑戰。

      為了應對長壽命空間環境適應性挑戰,相關科研團隊受“絲網印刷”基本原理啟發,研制自動化設備,精確控制壓力、角度、速度等參數,實現柔性基板防護涂層自動均勻涂覆,并使其順利通過大劑量原子氧、高低溫、紫外等環境考核試驗,從而為太陽能翼披上“防護鎧甲”。

      據了解,相關團隊針對問天實驗艙太陽能翼材料的性能,運用多重防護手段持續對柔性太陽翼進行評價試驗,其中包括一系列熱真空疲勞壽命試驗和常溫常壓壽命試驗,試驗結果表明,問天實驗艙太陽能翼的電池壽命可提升至15年。

      需求驅動

      技術躍升

      與傳統的硅太陽能電池相比,問天實驗艙太陽能翼采用的柔性砷化鎵材料具有明顯的優勢,不僅有良好的抗輻射和耐高溫等性能,而且光電轉換效率突破30%,達到國際先進水平。該太陽能翼上鋪有許多深色玻璃般的“小鏡”,每一個“小鏡”宛如一座太空“發電站”,經過串聯、并聯后組成太陽電池陣,能夠產生較高的電壓和較大的電流,為空間站提供充足的能量。

      此前,神舟系列載人飛船采用了第一代剛性太陽電池陣技術,天舟系列貨運飛船采用了第二代半剛性模塊化太陽電池陣技術。柔性砷化鎵太陽能電池是第三代太陽能電池,在中國空間站天和核心艙太陽能翼上,得到首次應用;在問天實驗艙的應用中,實現了新的進步。這表明,在太陽能電池技術領域,航天需求成為促進創新的強勁動力,推動中國太陽電池陣技術實現了新的躍升。

      調整姿態

      追光逐日

      受太陽入射角和空間站飛行姿態的影響,太陽能翼的發電效率會因時段不同、姿態不同而產生相應變化。問天實驗艙首次采用太陽能翼雙自由度同時轉動,確保陽光可以垂直照射在太陽翼上。為實現這一目的,問天實驗艙使用了中國目前設計規模最大、預期連續工作壽命最長、傳輸功率最大的大型回轉運動類空間機構產品即對日定向裝置的阿爾法機構。

      阿爾法機構的核心是“對構齒輪傳動”,由重慶大學機械傳動國家重點實驗室陳兵奎教授團隊歷經8年研制成功。

      這是一種新型齒輪傳動,其突出的誤差適應能力和較高的承載能力,能夠滿足太空極端高低溫交替變化提出的超大空間尺寸形變、高可靠、長壽命等嚴苛要求?!皩孆X輪傳動”系統中應用的齒輪,經過實驗室試驗驗證,壽命可以達到25年到30年。 

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