天和核心舱太空搬家,太阳翼在轨转移,刷新航天员出舱难度纪录

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近日,载人航天工程总师周建平回应了有关天宫空间站航天员出舱活动难度的问题。他说道,进一步的出舱活动会越来越复杂,当我们空间站建造好了以后会把核心舱太阳帆板(为便于行文,后文统称“太阳翼”)收起来,通过航天员和机械臂的协同,把它装到实验舱另外的位置上去,像这样的操作任务比现在装设备要更复杂得多,完成这件事应该会是一个标志性的。

舱外航天服摄像机拍摄的天和核心舱

那么,为什么要转移核心舱太阳翼呢?

先来看神舟十三号的动态,在航天员顺利进入天舟三号货运飞船的飞控画面中可以看到天宫组合体进行了滚动调姿,原先面向地球一侧的径向对接口转为天顶方向,此事件过后三天,航天摄影爱好者也拍到了此种姿态的天宫组合体。

天宫组合体滚动调姿后的运行姿态

西班牙航天爱好者拍摄的天宫组合体

滚动调姿是因为核心舱面积巨大的太阳翼会对神舟十三号飞船太阳翼形成遮挡,从而影响后者的发电能力。

滚动调姿前核心舱太阳翼对神舟十三号太阳翼遮挡明显

当然,核心舱太阳翼移位的核心原因并不仅仅是因为遮挡了径向对接口的神舟飞船,后续还有更大的实验舱太阳翼对核心舱太阳翼形成遮挡的问题。

两个实验舱的太阳翼面积更为巨大

实验舱太阳翼地面展开测试

通过太阳翼获取电能是当前人类各型航天器的重要能源获取途径,载人航天器更不例外。

太阳翼遮挡历来是建设大型载人空间站必须面对的问题,比如和平号空间站的各舱段并不在同一平面,太阳翼相互遮挡问题非常突出,并因此损失了40%发电能力。

和平号空间站

国际空间站为解决这一问题专门设计了长度达109米的桁架,各密封舱段主要以轴向对接形式挂靠在桁架中心位置,8部太阳翼对称布局于桁架两端,由于间距够大,所以桁架太阳翼相互之间的遮挡问题得到了缓解。

国际空间站

然而桁架太阳翼对星辰号服务舱太阳翼的遮挡问题并没有根治,同时热控系统的散热片又对曙光号舱段构成了干涉,而桁架太阳翼与星辰号服务舱太阳翼以及散热片又对停靠的飞船太阳翼形成遮挡,发电能力损失问题进一步加剧。

国际空间站太阳翼遮挡问题依旧突出

反观天宫空间站则是从设计伊始就锁定了根治太阳翼相互遮挡的问题,这还得从设计理念谈起。

天和核心舱顾名思义是天宫空间站的枢纽舱段,但我们并没有走和平号或者国际空间站的老路,而是基于一体化理念设计出了“核心组合体”,可以将三个舱段(天和舱、问天舱、梦天舱)视为一个更加完整的“核心舱”。

三舱核心组合体地面验证舱

这也预示着天宫空间站不会止步于目前公开的“三舱构型”,后续拓展舱段都将在此基础上扩建。

天宫空间站还将持续生长

核心组合体是指天和核心舱+问天号实验舱+梦天号实验舱构成更加高效统一的整站三舱,具体而言就是在结构与运动控制、信息系统、能源系统、热控流体回路、载人环境、推进系统进行有机融合。

比如能源系统,从组合体构型来看,我们摒弃了和平号空间站各舱段不在同一平面的老路,而是创新了在同一平面的T字形构型,两个大型实验舱对称布局在节点舱二四象限,从而形成跨度约40米的结构,尺寸更大的实验舱太阳翼则分别在这一结构的两端,从而达到了国际空间站的桁架效果。

两个实验舱将起到桁架效果

天宫空间站还创新了双向供电技术的工程应用,首先核心组合体三舱的电力供应可以互通有无,来访飞船也可以从核心组合体获取电力能源,同时如果核心组合体有电力供应缺口时,来访飞船也可以反向供电核心组合体,而这是以往和平号空间站或者当前国际空间站所做不到的。

天舟与神舟飞船都可以向空间站反向供电

天和核心舱的太阳翼移位同样也是核心组合体能源系统有机融合的具体实践,这一对太阳翼将转移至两个实验舱短桁架的尾端。

太阳翼在轨转移需要航天员出舱介入,就像周建平总师说的那样,这个操作比起舱外安装设备的出舱任务要难得多。纵观人类载人航天史,类似的舱外操作还从来没有过,可以说是世界级难题。

天和核心舱太阳翼

核心舱太阳翼是基于柔性材料制备,质地轻柔,同时长度很长面积也很大,单翼长度达到了12.6米,宽约5.3米,面积67平方米,想要对这样一个大尺寸部件进行直接转移,即使是机械臂与航天员协作都很难做到万无一失,因此该太阳翼必须具备在轨收拢功能。

这张图可以感受核心舱太阳翼之大

想要收拢核心舱太阳翼,需要先看看它“来时的路”,核心舱入轨后太阳翼采用“三维五步展开方案”,配置6台有源机构:首先,15发火工品起爆,解除太阳翼与小柱段舱壁的固定,紧接着抬升机构将太阳翼从舱壁上立起,随后展开锁定机构将两个太阳电池阵向两侧展开,约束释放机构解除收藏箱约束,最后伸展机构带动太阳电池翼完全展开。整个过程持续约40分钟。

天和核心舱太阳翼在轨展开过程效果图

核心舱太阳翼展开在轨实拍

可以想象,展开已经如此复杂,若要收拢势必更加复杂。当太阳翼转移到位后,还需要重新组建供电通道。

航天科技集团八院805所柔性太阳翼研制团队将这一系列操作称为“在轨能源拓展功能”,此功能需要舱外航天员、机械臂、空间站等多方密切配合方能实现。

机械臂辅助航天员转移核心舱太阳翼效果图

核心舱太阳翼转移的好处有很多,首先解决了实验舱太阳翼对核心舱太阳翼的遮挡问题,同时也解决了径向端口神舟飞船太阳翼被核心舱太阳翼遮挡的问题,天宫空间站各舱船太阳翼受晒率将得到全面优化。

核心舱太阳翼转移安装目标位置

在受晒率得到保证的前提下,太阳翼配置的具有国际领先水平的三结柔性砷化镓电池的发供电能力也将得到保证,也正因此,天宫空间站的科研设备占比才能反超国际空间站,使得科研产出效益最大化。

来源:巅峰高地讲堂

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