今天，我國空間站的第二個實驗艙——中國航天科技集團有限公司八院抓總研製的夢天實驗艙在文昌航天發射場成功發射入軌。後續，夢天實驗艙將通過大慣量平面轉位完成與核心艙側向對接與永久停泊，空間站將組成「T」字基本構型，問天和夢天實驗艙將各自通過對日定向裝置和驅動機構「兩兄弟」的雙自由度組合運動，驅動兩個實驗艙最外側的四副大型柔性太陽翼同步轉動，正式開啟各自的對日定向旅程，實現空間站的「比翼雙飛」。
問題一：什麼是「雙自由度對日定向」？
我國空間站一天繞地球飛行16圈左右，為了讓太陽翼可以像向日葵一樣實現穩定對準太陽，確保每一縷陽光都垂直照射在太陽翼上，我國空間站問天和夢天兩個實驗艙太陽翼均設置了α與β兩個對日定向自由度，通過進行兩個相互垂直方向的運動，實現太陽翼最大的發電效率。
形象地說，空間站在太空中像是一艘遨遊在海面上的船，太陽翼就像是一面巨大的「帆」，需要實時調整這個「帆」的角度，以實現太陽光最大範圍地照在太陽翼上，保證發電效率。為此，設計師們在太陽翼與艙體連接的端點上，安裝了兩種驅動機構。驅動機構的功能是通過自身運動驅動太陽翼隨太陽光角度轉動。實驗艙上安裝的兩種驅動機構，將通過不同的工作模式，驅動太陽翼進行翻轉和旋轉運動。比如其中一種機構，可以根據空間站在軌運動及其與太陽的角度，讓太陽翼繞着實驗艙軸向進行360°旋轉，確保翼面時刻向著太陽；另一種機構，可以讓太陽翼翼面根據太陽入射角進行橫向調整，確保翼面最大限度地接受陽光照射，提升發電能力。以我們的手部運動為例，一種機構實現手心手背前後翻轉、另一種機構實現手腕360°旋轉。這就是太陽翼雙自由度對日定向的簡單原理。
問題二：什麼是「對日定向裝置」？
在問天與夢天實驗艙上，均配置了對日定向裝置，也就是負責太陽翼進行360°旋轉的機構。簡單來說，對日定向裝置主要有兩個作用，一是負責驅動問天和夢天實驗艙兩翼太陽翼的整體轉動，二是負責將太陽翼產生的能源向艙內傳遞。
是「衛士」，更是「猛士」。為了保障空間站的用電需求，實驗艙上配置的柔性太陽翼雙側總面積276平方米、總質量達到1.2噸，由於頭頂着這麼一對「大翅膀」，大型對日定向裝置必須做到勁頭足、轉得動。如果想像我們單手握起兩把均為27米長且轉動慣量超大的「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。
乾的是「體力活」，更是「精細活」。對日定向裝置內部安裝有精密的角度信息檢測傳感器。在太陽翼轉動的同時，一邊實時採集轉動角度信息，並上傳給姿態控制系統，同時姿態控制系統根據空間站運行軌道的轉動角度，發出運動控制指令，對日定向裝置隨即開展自主運動規劃，時刻精準調整自身狀態。
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。單個實驗艙的太陽翼雙側展開後的總面積為276平方米，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」。
蓄勢待發，先要打通「能源脈絡」。對於空間站來說，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」，然而這種方式由於存在滑動磨損，一般僅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，如果再選擇滑環導電傳輸方式，其滑動摩擦產生的損耗對空間站來說可謂是一筆不小的能源浪費。為此，八院805所對日定向裝置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。滾環的樣子就像一個圓滾滾的輪胎，總體呈圓環狀。它採用類似滾動軸承的運動原理，包括「內環體」和「外環體」，內外環體之間嵌入多個「柔性環」。運行時，外環固定不動，內環轉動，內、外環體分別通過電纜與艙外和艙內各設備實現電氣連接。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，相當於在軌工作34 年，以高可靠性確保空間站能源通路的高效暢通。
浩瀚的太空之中，橙色的太陽翼伸展着翅膀，翅膀之下，大型對日定向裝置和驅動機構柔和平穩地轉動着，帶着「天宮」逐日前行。此時此刻，屬於對日定向裝置和驅動機構的表演才剛剛開啟，它們將全力保障好屬於中國人自己的空間站比翼雙飛、行穩致遠。
作者：史博臻 李同 錢志源
圖：中國航天科技集團有限公司八院
編輯：唐瑋婕
