デビューは大成功でした！宇宙ステーションの大きな太陽方位装置は非常に目を引くものである

2022年7月28日、文天実験モジュールの打ち上げから4日後、同モジュールに搭載された我が国初の大型太陽方位装置が正式にデビューし、一連の軌道上性能試験を無事完了しました。すべての指標は良好に機能しました。我が国の宇宙ステーションは、二重自由度の太陽方向設定に成功しました。

「太陽指向性ターゲティングデバイス」とは何ですか?簡単に言えば、ソーラーパネルの回転を駆動し、キャビンの内外へのエネルギーの伝送を主に担っています。これは、中国の宇宙ステーション計画の初期段階で初めて議題に上がった重要な技術の一つである。将来の宇宙ステーションの建設が完了すると、宇宙飛行士の生活システムの重要な機器を維持するために必要な電力を含む、キャビン内のあらゆる種類の科学機器とペイロードは、キャビンの外部から内部に効率的かつ確実に伝送するための大規模な太陽方向指向装置に依存することになります。まさに宇宙ステーションの「エネルギー守護者」と言えるでしょう。

強くて回転できる

宇宙ステーションの電力需要を確保するため、ウェンティアン実験モジュールに設置された大型フレキシブルソーラーウィングは、片翼の長さが27メートル、有効発電面積が約110平方メートルで、宇宙ステーションへの安定したエネルギー供給を確保できます。しかし、この 2 つの柔軟なソーラー ウィングを駆動して宇宙空間でスムーズに「旋回」させ、24 時間太陽光を受信できるようにするのは容易ではありません。長さ27メートルの「バナナファン」を片手に持ち、手首を中心に360度回転させることを想像すると、手首には強い耐荷重能力と回転力が求められます。実験キャビンの太陽方向検出装置は人間の手首に相当します。太陽電池パネルを連続的に回転させ、安定して太陽に向ける必要があります。

宇宙ステーションの太陽方位装置はキャビン全体に無尽蔵のエネルギーを供給しますが、キャビンの外で長期間滞在する人々が直面する宇宙環境は、大型の回転機構に厳しいテストを課すことになります。太陽光配向装置が妨害を起こさずに太陽光パネルを正確に駆動できるようにする方法は、研究開発チームにとって大きな課題です。この目的のために、研究開発チームはブレインストーミングを行い、国内初の新しい「分散旋回支持駆動伝動ソリューション」を設計しました。このソリューションは、大型ガイドレールが高温や低温での熱膨張や収縮によって変形しても、駆動機構のスムーズな回転をサポートし続けることを保証し、2つの巨大なソーラーパネルを駆動してリアルタイムで太陽を追跡できるようにします。同時に、研究チームは太陽光方向指向装置に「温度制御ジャケット」の層を追加し、太陽光方向指向装置が長期間の極端な高温および低温の外部環境下でも常に適切な温度範囲に保たれるようにしました。

高効率と高速伝送

私たちが日常生活で使用する電気は、発電所の巨大な送電網を通じて何千もの家庭に届けられています。太陽系において、太陽は天然の「大きな発電所」です。しかし、大型の柔軟な翼で発電した数十キロワットの電気を宇宙ステーションに送り、安定的かつ効率的な「エネルギーライフライン」を構築し、宇宙ステーションを本当に「電気の心配がない」状態にするにはどうすればいいのでしょうか。

一般的に言えば、ほとんどの宇宙船は従来のスリップリング伝導伝送方式を使用しています。簡単に言えば、スリップ リングはエネルギーを接続して伝達するために使用される「回転ジョイント」です。ただし、滑り摩耗のため、この方法は一般にキロワットレベルの電力伝送を行う宇宙船に適しています。宇宙ステーションの電力伝送需要は通常の宇宙船の20倍以上であり、設計寿命の要件も高くなっています。滑り摩耗による膨大なエネルギー消費に直面して、宇宙ステーションは「ゼロトレランス」を表明します！この目的のために、研究開発チームは超高出力、超長寿命の転がりリング電気伝動機構を開発し、滑り接触を転がり接触に置き換えることで中国初の高出力伝動を実現しました。ローリングリングの高信頼性、高効率、長寿命を検証するために、研究開発チームは地上で20万サイクルの加速寿命試験を実施しました。これは軌道上での34年間の作業に相当し、100％の製品信頼性で宇宙ステーションの効率的でスムーズなエネルギー通過を確保しました。

正確かつ制御可能

宇宙ステーションが軌道上にある間、太陽電池パネルを常に太陽に向け続けるにはどうすればよいですか?太陽方位測定装置は、その「腹部」に回転変圧器を備えており、太陽の回転角度に関するリアルタイム情報を収集できる。姿勢制御システムから発行された動作モード要件を受け取った後、太陽方向付け装置は自律的な動作計画を実行し、自身の状態を正確に調整して、太陽翼が「ひまわり」のように太陽に向かって安定した方向付けを実現できるようにします。

「正確な位置合わせに加え、これほど大きくて柔らかい太陽翼をいかに安定して制御するかがさらに難しいのです。」これは、設計プロセス中の研究開発チームの共通の考慮事項と懸念事項でした。ソーラーウィング全体の有効発電面積は約220平方メートル、翼全体の長さは55メートルですが、印刷用紙ほどの柔らかさしかなく、わずかな振動でも揺れてしまいます。太陽電池パネルがスムーズに回転しないと、宇宙ステーションの姿勢制御に支障が生じます。そこで「柔軟性が高く、安定性の高いサーボ制御システム」が誕生しました。太陽光方向装置に合わせて調整されたこの制御ソリューションにより、太陽光パネルは「長袖で踊る」ことができ、安定した太陽の追跡と制御が可能になります。

さらに驚くべきことは、太陽光パネルが外部干渉によって揺れたとき、太陽光配向装置の制御システムがそれを非常に敏感に感知し、まるで有形を無形に変える「太極拳の推手」のように「素早く鎮静」することができることです。 30秒以内に、太陽電池パネルの弾性振動エネルギーは時間とともに消散し、宇宙ステーションに「安定した幸福」をもたらします。

高い信頼性と強さ

今回、文天実験モジュールが乗った「特別輸送列車」は、宇宙ステーション建設用に特別に作られた長征5号Bロケットである。安全性、精度、信頼性を備え、宇宙ステーションの「大口顧客」に優れたサービスを提供することに尽力しています。しかし、ロケットの飛行段階では、ウェンティアン実験モジュール、特に実験モジュールの一番端にあるリソースモジュールに設置された太陽方向調整装置は、必然的に大きな上昇荷重を受けることになります。ロケットフェアリングに入った後は上部に位置し、大きな圧力の矢面に立たされます。 「道路は何千もあるが、安全が第一だ。」ロケット打ち上げ段階で太陽方向照準装置の「小さな心臓部」が過負荷にならないように、設計チームは新しいW字型ストラップを採用しました。これは太陽方向照準装置に多重保護機能を備えた「シートベルト」であり、飛行中の安全性を高めます。実験モジュールが軌道に無事進入した後、「シートベルト」が指令を受けて解放され、太陽方位装置が小型モーターを自由に駆動して太陽への旅を開始した。

この軌道上テストは、我が国の宇宙ステーション建設過程における大規模な太陽指向性装置の「初公開」となる。このテストが完全に成功すれば、その後の宇宙ステーションの建設と軌道上での運用のための強固な基盤が築かれることになる。

（上海理工大学）