2022年7月28日，在隨問天實驗艙發射4天後，隨艙上行的我國首個大型對日定向裝置正式登台亮相，成功完成一系列在軌性能測試，各項指標均表現優異，我國空間站成功實現雙自由度對日定向。
什麼是“對日定向裝置” ？簡單來說，它主要負責驅動太陽翼轉動以及艙內外能源的傳輸，是中國空間站工程立項初期最先提上日程的關鍵技術之一。 未來空間站建造完成後，艙內各類科學儀器、有效載荷，包括維持航天員生命系統的重要設備所需要的電能，都要依賴大型對日定向裝置從艙外向艙內進行高效可靠的傳輸。可以說，它是空間站名副其實的“能源衛士” 。
勁頭足、也要轉得動
為了保障空間站的用電需求，問天實驗艙上配置的大型柔性太陽翼單翼長度27米、有效發電面積約110平方米，可以保障空間站源源不斷的能源輸入。但驅動起這兩副柔性太陽翼在太空中流暢“划圈”，讓它們可以全天候接收到來自太陽光的照射，並非易事。如果想象我們單手拿一把27米長的“芭蕉扇”，並以手腕為圓心做360°旋轉，這就需要我們的手腕具有很強的承重能力和轉動力量。而實驗艙上的對日定向裝置就相當於我們的手腕，它需要帶動太陽翼持續旋轉、穩定對日。
空間站對日定向裝置為整艙提供不竭能源，但常年駐守艙外所面臨的空間環境會對大型轉動類機構產生嚴酷考驗。如何保證對日定向裝置驅動太陽翼傳動準確的同時又不會發生運動卡滯，這對研製團隊而言是個巨大挑戰。為此，研製團隊開展頭腦風暴、全新設計了一套國內首創的“分佈式迴轉支撐驅動傳動方案” ，可以確保大導軌在高低溫熱脹冷縮產生變形的情況下，依然可以支撐驅動機構流暢轉動，帶動兩個巨型太陽翼實時跟蹤太陽。同時，團隊還給對日定向裝置加了一層“控溫外套” ，保障對日定向裝置在長期的極端高低溫外部環境下，始終處於適宜的溫度範圍。
效率高、也要傳得快
我們日常生活中的用電，是通過發電廠龐大的電網系統輸送到千家萬戶，而在太陽系中，太陽就是一個天然的“大型發電廠”。但如何將大型柔性翼產生的數萬瓦級電能傳輸到空間站內，搭建起一條穩定高效的“能源生命線”，讓空間站真正實現“用電無憂”？
通常來說，大部分航天器都採用傳統的滑環導電傳輸方式，簡單來說，滑環就是用於連通、傳輸能源的“旋轉關節”，但因這種方式存在滑動磨損，因此一般適用於千瓦級傳輸功率的航天器；而空間站的功率傳輸需求是普通航天器的20多倍，設計壽命要求高，面對滑動摩損產生的巨大電能消耗，空間站表示“零容忍”！為此，研製團隊首創了超大功率和超長壽命的滾環電傳輸機構，實現了國內首次以滾動替代滑動接觸方式的大功率傳輸。 為了驗證滾環的高可靠、高效率、長壽命，研製團隊在地面進行了20萬圈的加速壽命試驗考核，相當於等效在軌工作34年，以100%的產品可靠性確保空間站能源通路的高效暢通。
對得准、也得控得穩
空間站在軌飛行過程中，如何保持太陽翼時刻對準太陽？對日定向裝置“肚子”里裝有能實時採集太陽轉動角度信息的旋轉變壓器 ，在接收到姿態控制系統下達的運動模式要求后，對日定向裝置可以通過開展自主運動規劃，精準調整自身狀態，從而讓太陽翼像“向日葵”一樣實現穩定對日。
“除了對得准，更難的是如何將這麼大、這麼軟的太陽翼控制平穩。”這是研製團隊在設計時共同的考量和擔心。太陽翼有效發電總面積約220平米，整翼長55米 ，但卻只有打印紙這麼軟，任何的輕微振動都能讓它晃晃悠悠擺動。如果太陽翼轉動不平穩，將導致空間站姿態控制出現困難。因此，“大柔性高穩定伺服控制系統”應運而生，這套為對日定向裝置量身打造的控制方案，讓太陽翼能夠“長袖善舞”，實現對太陽的穩定跟蹤控制。
更厲害的是，當太陽電池翼受到外界干擾而導致抖動時，對日定向裝置的控制系統能非常靈敏地察覺，並進行“快速安撫”，就像“太極推手”一樣化有形於無形，在不到30秒的時間內，就能將太陽翼彈性振動能量及時耗散，給空間站“穩穩的幸福”。
高可靠、也得箍得牢
問天實驗艙此次搭乘的“運載專列”，是為空間站建造量身定製的長征五號B運載火箭。它以其安全、精準、可靠，竭誠為空間站“大客戶”提供優享服務。但在火箭的飛行階段，問天實驗艙還是不可避免地會承受很大的上升段載荷，特別是對日定向裝置安裝在實驗艙最末端的資源艙上，進入火箭整流罩后處於最頂端，受到首當其衝的巨大壓力。“道路千萬條，安全第一條。”為了避免火箭發射階段讓對日定向裝置的“小心臟”不堪重負，設計團隊採用了一種新型W型包帶 ，也就是給對日定向裝置繫上了多重保護的“安全帶”，讓它在飛行過程中更安心。在實驗艙順利入軌后，“安全帶”收到指令、釋放解除，從而讓對日定向裝置自由地驅動起它的小馬達，開啟它的逐日旅程。
本次在軌試驗是大型對日定向裝置在我國空間站組建過程中的“首秀”，試驗的圓滿成功將為後續空間站組建以及在軌運營奠定堅實的基礎。
來源/上海航天技術研究院