飞天圆梦丨解码梦天之太空发电站
来源:央视网
10月31日梦天实验舱成功发射,这次飞天,代表中国空间站的建造进入收官阶段,今天我们将继续解读梦天实验舱,聊一聊空间站上的太阳翼。
梦天实验舱在完成和空间站的对接之后,空间站就会完成三舱的在轨建造。太阳翼在空间站上一共有三种类型,神舟载人飞船采用的是刚性太阳翼,天舟货运飞船采用的是半刚性太阳翼,天和核心舱、问天实验舱以及梦天实验舱采用的则是柔性太阳翼,三款太阳翼风格不同,各有所长共同撑起了空间站在轨运营的能源担当。
刚性太阳翼:技术成熟、稳定可靠、适应性广
刚性太阳翼采用的是碳纤维的面板,铝蜂窝的复合材料作为基板的太阳电池翼。刚性太阳翼具有非常好的刚度和强度,所以在载人航天神舟飞船设计开始,研制团队就选择了国际上技术最成熟的刚性太阳翼,确保载人飞船在轨运行的高可靠性和安全性。
神舟飞船的太阳翼结构是碳纤维蜂窝夹层结构,展开面积为24平方米,具备高强度、高刚度的优势。并可在十几秒内快速展开,做到一次展开到位,迅速满足飞船的供电需求。
在历经了8年的技术攻关后,1999年我国第一款应用于载人航天领域的刚性太阳翼,就伴随着神舟一号载人飞船的成功发射亮相太空,近些年来刚性太阳翼凭借其稳定可靠的出色性能,目前已经成为我国卫星领域使用最广泛的产品。
半刚性太阳翼:轻量化 、高承载、可实现空间环境防护
如果把刚性太阳翼比喻成乒乓球拍,半刚性太阳翼就是一只网球拍,因为半刚性太阳翼突破了玻璃纤维网编织技术,创造性地采用了玻璃纤维的网状结构,从而具备了轻量化、高承载性以及空间环境的强防护性,特别是对低轨空间中原子氧、等离子体的保护,极大体现了半刚性太阳翼所具备的长寿命优势。
在2011年国内首套低轨高压半刚性太阳翼首次应用于天宫一号实验室,助力天宫一号实现了在轨7年的可靠运行。
柔性太阳翼:大面积、柔性、长寿命、高可靠、可重复展收
空间站上搭载着各种各样的设备,同时还要满足航天员的在轨生活需求,因此空间站对于能源供应的需求非常迫切。传统的刚性太阳翼与半刚性太阳翼体积大、重量大、功率不足,这些因素就限制了空间站对于电能的需求。而柔性太阳翼体积小、展开面积大、功率重量比高。比如问天实验舱与梦天实验舱的柔性太阳翼,它在全部收拢后厚度只有18厘米,和一部手机的长度差不多,仅仅是刚性太阳翼厚度的1/8。
目前中国空间站配备了两种规格六套大型柔性太阳翼。在2021年4月29日,我国空间站第一块"积木"——天和核心舱率先就位,熠熠生辉的"天和之翼"首次亮相太空,这就是我国为空间站打造的首个大面积可展收柔性太阳翼。
核心舱的单个太阳翼展开面积是67平方米,相当于一个标准单打羽毛球场大小,可提供9000瓦电能,问天实验舱与梦天实验舱各配备了两套plus版的大型柔性太阳电池翼,单套太阳翼展开面积可达138平方米,单个功率高达18千瓦,四个柔性太阳翼就能提供空间站百分之八十的能量。
柔性太阳翼的展开方式和刚性、半刚性太阳翼一次性十几秒快速展开的方式不同,由于在对接过程中,数十吨的航天器是以低宇宙速度来运行的,需要非常精准地控制它们的位置,稍有偏差航天器就容易发生碰撞。在太阳翼完全展开后,实验舱就好比两只手,各抓住一个巨大的帆,对于稳定性的影响非常大。所以为了降低风险系数,我国柔性太阳翼在全世界范围内首次实行了"二次展开"技术,整个过程持续时间为80分钟,这是为了确保交会对接这一个关键动作的绝对安全。
硬核科普空间站大型对日定向装置
在太阳翼运行过程中还会涉及到另外一个非常重要的装置——对日定向装置。
我国空间站每天绕地球16圈左右,为了确保太阳翼发电效率最大化,就需要时刻调整太阳翼姿态,使它尽量以90度的垂直角度对准太阳,实现这一功能的就是对日定向装置。
对日定向装置拥有两种旋转的角度,一个α(阿尔法)角度,实现大范围的转动,还有一个β(贝塔)角度,实现太阳翼帆板的微小的调姿,从而使太阳翼可以像向日葵一样永远正对太阳。
太极宗师系统:大柔性高稳定伺服控制系统
除了对得准,更难的是如何将这么大、这么软的太阳翼控制平稳。单个实验舱的太阳翼双侧展开后的总面积为276平方米,但却只有打印纸这么软,任何的轻微振动都能让它晃晃悠悠摆动。因此"大柔性高稳定伺服控制系统"应运而生,这套为对日定向装置量身打造的控制方案,让太阳翼能够"长袖善舞",实现对太阳的稳定跟踪控制。
更厉害的是,当太阳翼受到外界干扰而导致抖动时,对日定向装置的控制系统就能非常灵敏地察觉,并进行"快速安抚",就像"太极推手"一样化有形于无形,在不到30秒的时间内,将太阳翼弹性振动能量及时耗散,给空间站"稳稳的幸福"。
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