7月24日，問天實(shí)驗(yàn)艙在文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射。今年還將迎接夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙、天舟五號(hào)、神舟十五號(hào)接續(xù)造訪。這個(gè)在軌質(zhì)量達(dá)百余噸重的空間站組合體，其姿態(tài)控制難度是我國(guó)航天飛行任務(wù)中史無前例的。讓空間站“坐如鐘、行如風(fēng)”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(dòng)力系統(tǒng)(Reaction control system)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，需上行并消耗大量推進(jìn)劑，效費(fèi)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(yùn)行過程中，其姿態(tài)受地球高層大氣、太陽電磁輻射、引力場(chǎng)等多種因素影響會(huì)有所變化，搭載的多項(xiàng)載荷也都有特定的指向需求，尤其是大型柔性太陽翼有動(dòng)態(tài)對(duì)日定向要求。
因此，空間站的穩(wěn)定運(yùn)行需要一個(gè)能穩(wěn)住它的強(qiáng)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(dòng)量，并通過改變角動(dòng)量的方向來對(duì)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(shì)，還有對(duì)航天器柔性部件干擾最小化的優(yōu)勢(shì)，對(duì)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(jī)動(dòng)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(guó)空間技術(shù)發(fā)展遭遇的“攔路虎”。1991年，我國(guó)開始論證空間實(shí)驗(yàn)室和空間站項(xiàng)目，控制力矩陀螺作為“重器”被提了出來，中國(guó)人確信“核心技術(shù)是買不來的”，所以在論證伊始便堅(jiān)定選擇了自力更生。
我國(guó)第一臺(tái)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(hào)上配置了6臺(tái)這樣的力矩陀螺，其在軌應(yīng)用成為我國(guó)空間機(jī)電部件發(fā)展的一個(gè)里程碑，也使我國(guó)成為繼美俄后世界上第三個(gè)掌握該技術(shù)的國(guó)家。
自天宮一號(hào)后，科研團(tuán)隊(duì)陸續(xù)研發(fā)出了角動(dòng)量范圍覆蓋0.1Nms到1500Nms的產(chǎn)品，形成了滿足我國(guó)各類空間飛行器姿態(tài)機(jī)動(dòng)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(yīng)快、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足我國(guó)當(dāng)前各類空間飛行器的姿態(tài)控制要求。
空間站任務(wù)把控制力矩陀螺在中國(guó)航天器上的使用提升到了一個(gè)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(shí)適應(yīng)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(rùn)滑和整機(jī)散熱問題帶來了很大挑戰(zhàn)。特別是針對(duì)艙外200多 的溫差，研制人員必須進(jìn)行專門的熱控設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)艙內(nèi)產(chǎn)品開展減振降噪工作，以符合艙內(nèi)噪聲指標(biāo)要求。
作為復(fù)雜的空間機(jī)電類產(chǎn)品，控制力矩陀螺工作環(huán)境惡劣、壽命要求長(zhǎng)，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(guó)空間站使用的控制力矩陀螺是目前角動(dòng)量最大的1500Nms，并采用了兩艙“6+6”的配置。其中有6臺(tái)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(tái)則將安裝在問天實(shí)驗(yàn)艙。這一配置正是組合體系統(tǒng)級(jí)的先進(jìn)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(yīng)用顯著提升了我國(guó)空間飛行器的姿態(tài)機(jī)動(dòng)與姿態(tài)穩(wěn)定控制能力，也推動(dòng)了我國(guó)空間慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速發(fā)展。多個(gè)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(fēng)”，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(duì)日定向裝置很吸睛
2022年7月28日，在問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射4天后，隨艙上行的我國(guó)首個(gè)大型對(duì)日定向裝置正式登臺(tái)亮相，成功完成一系列在軌性能測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)異，我國(guó)空間站成功實(shí)現(xiàn)雙自由度對(duì)日定向。
什么是“對(duì)日定向裝置”?簡(jiǎn)單來說，它主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)太陽翼轉(zhuǎn)動(dòng)以及艙內(nèi)外能源的傳輸，是中國(guó)空間站工程立項(xiàng)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(xué)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(duì)日定向裝置從艙外向艙內(nèi)進(jìn)行高效可靠的傳輸。可以說，它是空間站名副其實(shí)的“能源衛(wèi)士”。
勁頭足，也要轉(zhuǎn)得動(dòng)
為了保障空間站的用電需求，問天實(shí)驗(yàn)艙上配置的大型柔性太陽翼單翼長(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)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(qiáng)的承重能力和轉(zhuǎn)動(dòng)力量。而實(shí)驗(yàn)艙上的對(duì)日定向裝置就相當(dāng)于我們的手腕，它需要帶動(dòng)太陽翼持續(xù)旋轉(zhuǎn)、穩(wěn)定對(duì)日。
空間站對(duì)日定向裝置為整艙提供不竭能源，但長(zhǎng)年駐守艙外所面臨的空間環(huán)境會(huì)對(duì)大型轉(zhuǎn)動(dòng)類機(jī)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)酷考驗(yàn)。如何保證對(duì)日定向裝置驅(qū)動(dòng)太陽翼傳動(dòng)準(zhǔn)確的同時(shí)又不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)卡滯，這對(duì)研制團(tuán)隊(duì)而言是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。為此，研制團(tuán)隊(duì)開展頭腦風(fēng)暴、全新設(shè)計(jì)了一套國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的“分布式回轉(zhuǎn)支撐驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方案”，可以確保大導(dǎo)軌在高低溫?zé)崦浝淇s產(chǎn)生變形的情況下，依然可以支撐驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)流暢轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)巨型太陽翼實(shí)時(shí)跟蹤太陽。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還給對(duì)日定向裝置加了一層“控溫外套”，保障對(duì)日定向裝置在長(zhǎng)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?，是通過發(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(gè)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(jí)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(shí)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(dǎo)電傳輸方式。簡(jiǎn)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(dòng)磨損，因此一般適用于千瓦級(jí)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(jì)壽命要求高，面對(duì)滑動(dòng)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(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了超大功率和超長(zhǎng)壽命的滾環(huán)電傳輸機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次以滾動(dòng)替代滑動(dòng)接觸方式的大功率傳輸。為了驗(yàn)證滾環(huán)的高可靠、高效率、長(zhǎng)壽命，研制團(tuán)隊(duì)在地面進(jìn)行了20萬圈的加速壽命試驗(yàn)考核，相當(dāng)于等效在軌工作34年，以100%的產(chǎn)品可靠性確?？臻g站能源通路的高效暢通。
對(duì)得準(zhǔn)，也得控得穩(wěn)
空間站在軌飛行過程中，如何保持太陽翼時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)太陽?對(duì)日定向裝置“肚子”里裝有能實(shí)時(shí)采集太陽轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)的運(yùn)動(dòng)模式要求后，對(duì)日定向裝置可以通過開展自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，精準(zhǔn)調(diào)整自身狀態(tài)，從而讓太陽翼像“向日葵”一樣實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定對(duì)日。
“除了對(duì)得準(zhǔn)，更難的是如何將這么大、這么軟的太陽翼控制平穩(wěn)?！边@是研制團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)時(shí)共同的考量和擔(dān)心。太陽翼有效發(fā)電總面積約220平方米，整翼長(zhǎng)55米，但卻只有打印紙這么軟，任何的輕微振動(dòng)都能讓它晃晃悠悠擺動(dòng)。如果太陽翼轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)，將導(dǎo)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(yīng)運(yùn)而生，這套為對(duì)日定向裝置量身打造的控制方案，讓太陽翼能夠“長(zhǎng)袖善舞”，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的穩(wěn)定跟蹤控制。
更厲害的是，當(dāng)太陽翼受到外界干擾而導(dǎo)致抖動(dòng)時(shí)，對(duì)日定向裝置的控制系統(tǒng)能非常靈敏地察覺，并進(jìn)行“快速安撫”，就像“太極推手”一樣化抖動(dòng)于無形，在不到30秒的時(shí)間內(nèi)，就能將太陽翼彈性振動(dòng)能量及時(shí)耗散，給空間站“穩(wěn)穩(wěn)的幸福”。
綜合中國(guó)載人航天微信公眾號(hào)
