“問天”實驗艙飛天效果圖。
中國空間站“問天”實驗艙和即將發(fā)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(zhuǎn)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(gòu)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(jié)砷化鎵太陽電池陣技術(shù)，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(shè)計師精心采用超薄型輕質(zhì)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(huán)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(zhí)行航天任務的過程中，通過巧妙的設(shè)計，適應不同階段要求，收放自如。
在發(fā)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(nèi)。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(tǒng)。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(fā)生震動，會對空間交會對接過程中的控制精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
在展開的過程，太陽翼的數(shù)節(jié)伸展機構(gòu)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(jīng)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(gòu)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(xù)暴露在有著強輻射、原子氧等威脅的太空環(huán)境中，每天還要經(jīng)歷10余次高至80攝氏度、低至零下110攝氏度的高低溫循環(huán)考驗，實現(xiàn)超長壽命是面臨的一大挑戰(zhàn)。
為了應對長壽命空間環(huán)境適應性挑戰(zhàn)，相關(guān)科研團隊受“絲網(wǎng)印刷”基本原理啟發(fā)，研制自動化設(shè)備，精確控制壓力、角度、速度等參數(shù)，實現(xiàn)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(huán)境考核試驗，從而為太陽能翼披上“防護鎧甲”。
據(jù)了解，相關(guān)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(xù)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(jié)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(qū)動
技術(shù)躍升
與傳統(tǒng)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(yōu)勢，不僅有良好的抗輻射和耐高溫等性能，而且光電轉(zhuǎn)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(fā)電站”，經(jīng)過串聯(lián)、并聯(lián)后組成太陽電池陣，能夠產(chǎn)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(shù)，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(shù)。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(xiàn)了新的進步。這表明，在太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，航天需求成為促進創(chuàng)新的強勁動力，推動中國太陽電池陣技術(shù)實現(xiàn)了新的躍升。
調(diào)整姿態(tài)
追光逐日
受太陽入射角和空間站飛行姿態(tài)的影響，太陽能翼的發(fā)電效率會因時段不同、姿態(tài)不同而產(chǎn)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(zhuǎn)動，確保陽光可以垂直照射在太陽翼上。為實現(xiàn)這一目的，問天實驗艙使用了中國目前設(shè)計規(guī)模最大、預期連續(xù)工作壽命最長、傳輸功率最大的大型回轉(zhuǎn)運動類空間機構(gòu)產(chǎn)品即對日定向裝置的阿爾法機構(gòu)。
阿爾法機構(gòu)的核心是“對構(gòu)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(jīng)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?gòu)齒輪傳動”系統(tǒng)中應用的齒輪，經(jīng)過實驗室試驗驗證，壽命可以達到25年到30年。
（責任編輯：蔡文斌）
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