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天和核心艙太空搬家,太陽翼在軌轉移,重新整理航天員出艙難度紀錄

作者:巅峰高地

近日,載人航天工程總工程師周建平回答了有關航天員空間站活動難度的問題。他說,進一步的舷外将更加複雜,當空間站建成時,它将收起核心膠囊太陽能帆(後來被稱為"太陽能翼"),并通過宇航員和機器人手臂的合作,将它們放在太空艙中的不同位置,這比目前的裝置複雜得多。 這應該是一項需要完成的标志性任務。

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艙外宇航服錄影機捕捉天空和核心艙室

那麼為什麼要移動核心機艙的太陽能機翼呢?

首先看神舟十二号的動态,在航天員成功進入天舟3号貨飛船的飛行控制屏上可以看到天宮綜合體進行了滾動的姿勢,原來徑向界面朝向地球一側朝天騰方向,三天後,太空攝影愛好者也捕捉到了天宮綜合體的這種姿勢。

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天宮構圖後跑步姿勢被卷曲

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西班牙太空愛好者拍攝的天宮組合

而滾動的姿态是由于太陽能機翼的核心子產品尺寸較大,将被神舟13号航天器的太陽能機翼阻擋,進而影響後者的發電能力。

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滾動排列前核心子產品的太陽能機翼對神舟十二号太陽翼來說是顯而易見的

當然,核心子產品太陽能機翼轉移的核心原因不僅僅是因為它阻擋了神舟飛船的徑向界面,還因為太陽能機翼的實驗子產品更大,阻擋了核心子產品太陽能機翼。

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兩個實驗子產品的太陽能機翼甚至更大

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實驗子產品中太陽能機翼地面的測試

通過太陽能機翼擷取電力是各類載人航天器擷取能量的重要途徑,載人航天器也不例外。

太陽能機翼阻擋曆來是建設大型載人空間站時要面對的問題,比如和平号空間站的航段不在同一平面上,太陽能機翼互相阻擋的問題非常突出,因而損失了40%的發電能力。

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和平号空間站

國際空間站專門設計了長度為109米的桁架來解決這個問題,密封段主要以軸向對接的形式附着在桁架的中心,八個太陽能機翼對稱地布置在桁架的兩端,是以由于間距足夠大,彼此之間阻擋桁架太陽能機翼的問題得到了緩解。

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國際空間站

然而,桁架太陽能機翼上對星号服務艙的太陽能機翼阻擋問題尚未解決,同時熱控系統對曙光段的散熱片的幹擾,與桁架太陽能機翼和星座服務艙上的太陽能機翼和散熱器對接航天器太陽能機翼形成屏蔽, 發電能力損失問題進一步加劇。

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國際空間站上太陽翼阻擋的問題仍然是一個問題

相反,天宮空間站是從設計之初就要鎖住太陽翼互相阻擋的根部,這也要從設計理念出發。

天空和核心子產品,顧名思義,是天宮空間站的樞紐部分,但我們設計了一個基于整合概念的"核心組合",可以把三個部分(天空和太空艙、天空子產品、夢想艙)視為一個更完整的"核心子產品"。

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三艙核心複雜地面驗證子產品

這也預示着天宮空間站不會止步于目前公開的"三艙配置",後續的子產品擴建将在此基礎上進行擴建。

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天宮空間站将繼續增長

核心組成是指天空與核心子產品、問答日實驗子產品和夢想日實驗子產品,構成更加高效統一的全站三艙,具體而言,在結構和運動控制、資訊系統、能源系統、熱流體回路、載人環境、推進系統等方面進行有機內建。

例如,能源系統,從構成的配置來看,我們摒棄了和平号空間站段不是在同一平面上的舊方式,而是創新了在同一平面T形配置,兩個大型實驗子產品對稱布局在節點子產品24象限上,進而形成了跨度約40米的結構, 較大的實驗子產品太陽能機翼位于該結構的兩端,進而實作了國際空間站桁架效應。

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兩個實驗室将具有桁架效應

天宮空間站還創新了雙向供電技術工程應用,首先,核心複雜三子產品的供電可以互通,通路航天器也可以從核心組成獲得電力,而如果核心組成有供電間隙,通路航天器也可以逆向供電核心組成, 這是過去的和平号空間站還是現在的國際空間站都做不到的。

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天輪飛船和神舟飛船都可以為空間站提供反向動力

天空和核心子產品的太陽翼的偏移也是核心複雜能量系統有機融合的具體實踐,而這對太陽能機翼将轉移到兩個實驗子產品的短桁架的尾端。

太陽機翼在軌道上的轉移需要宇航員走出太空艙,正如周建平将軍所說,這比在太空艙外安裝裝置的艙外任務要困難得多。縱觀載人航天史上,類似的艙外作業從未出現過,可以說是世界級的問題。

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天空和核心艙太陽能機翼

核心艙太陽能機翼是以柔性材料制備而成,質地柔軟,同時長距離面積也很大,單翼的長度達到12.6米,寬度約5.3米,面積67平方米,想要這麼大尺寸的部件進行直接轉移,即使機器人手臂和宇航員都很難做到萬無一失, 是以,太陽翼必須具有在軌關閉功能。

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這張圖檔顯示了核心機艙的大型太陽能機翼

要關閉太陽能機翼的核心子產品,首先需要看一下它的"路要走",核心子產品進入軌道後,太陽能機翼采用"三維五步膨脹方案",配置6個主動機構:首先,15個彈丸爆裂,擡起太陽能機翼固定用小柱段壁,然後通過升降機構将太陽能機翼從艙壁擡起, 然後展開鎖定機構,将兩個太陽能電池陣列向兩側展開,限制釋放機構解除收集箱的限制,最後擴充機構驅動太陽能電池機翼完全展開。整個過程持續約40分鐘。

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太陽翼在天空和核心子產品之間的軌道上的影響圖

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核心艙太陽能機翼在軌道上展開

你可以想象,展開已經變得如此複雜,以至于關閉起來注定會更加複雜。當太陽能機翼移動到位置時,需要重建電源通道。

航天科技集團805柔性太陽能機翼開發團隊将這一系列操作稱為"在軌能量膨脹功能",這一功能需要艙外宇航員、機械臂、空間站等各方才能實作。

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機器人手臂太陽翼效應的地圖,以協助宇航員轉移核心子產品

核心子產品的太陽能機翼的轉移有很多優點,首先解決了實驗子產品的太陽翼到核心子產品的太陽翼的問題,同時也解決了神舟飛船太陽能機翼被核心子產品的太陽翼阻擋的問題, 天宮空間站的太陽翼将得到全面優化。

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核心艙太陽能機翼移動安裝目标位置

在保證太陽照射率的前提下,還将保證具有國際領先水準的太陽能翼配置的三結柔性砷化镓電池的供電容量,是以,天宮空間站的科研裝置比例可以反轉于國際空間站,進而實作科研産出效益的最大化。

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