4月29日，長征五號B運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射成功，成功將我國空間站工程首個航天器--天和核心艙送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。

據(jù)空間站副總指揮甘克力介紹，在核心艙的研制任務(wù)中，中國航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院承擔(dān)了電源分系統(tǒng)、對接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、測控通信產(chǎn)品、資源艙結(jié)構(gòu)與總裝及電纜網(wǎng)研制任務(wù)。其中電源分系統(tǒng)作為整個核心艙任務(wù)的四大關(guān)鍵技術(shù)之一，充當(dāng)著未來空間站“太空電站”的作用。

首次采用大面積可展收柔性太陽電池翼

據(jù)空間站副總設(shè)計(jì)師羅斌介紹，天和核心艙首次采用了大面積可展收柔性太陽電池翼，雙翼展開面積可達(dá)134平方米，這是我國首次采用柔性太陽翼作為航天器的能量來源。柔性太陽翼集合了大面積輕量化、重復(fù)展收高可靠、低軌10年在軌長壽命、剛?cè)岵?jì)高承載等四大全新技術(shù)。

與傳統(tǒng)剛性、半剛性的太陽電池翼相比，柔性翼體積小、展開面積大、功率重量比高，單翼即可為空間站提供9kW的電能，在滿足艙內(nèi)所有設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時，也完全可以保證航天員在空間站中的日常生活。

比起傳統(tǒng)的剛性、半剛性太陽翼，柔性翼全部收攏后只有一本書的厚度，僅為剛性太陽翼的1/15?；宀捎贸⌒洼p質(zhì)復(fù)合材料，對用來防護(hù)空間環(huán)境的膠層的涂覆厚度也進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

柔性翼能否成功展開直接關(guān)系到空間站任務(wù)的成敗。核心艙太陽翼采用了6臺有源機(jī)構(gòu)三維五步展開，就好像做一套“太空廣播操”。

首先，15發(fā)火工品“熱身運(yùn)動”起爆，解除太陽翼與小柱段艙壁的固定;緊接著抬升機(jī)構(gòu)“俯仰運(yùn)動”將太陽翼從艙壁上立起;隨后，展開鎖定機(jī)構(gòu)“擴(kuò)胸運(yùn)動”將兩個太陽電池陣向兩側(cè)展開，約束釋放機(jī)構(gòu)“轉(zhuǎn)體運(yùn)動”解除收藏箱的約束;最后，伸展機(jī)構(gòu)“伸展運(yùn)動”帶動太陽電池翼完全展開。每個規(guī)定動作都經(jīng)過大量的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，確保姿勢標(biāo)準(zhǔn)、嫻熟流暢。

展開過程持續(xù)40分鐘，數(shù)節(jié)伸展機(jī)構(gòu)依次向外推出，帶動太陽翼向外展開，又像是一架被緩緩拉開的手風(fēng)琴，因此被形象地稱為“手風(fēng)琴”展開方式。

核心艙太陽電池翼的另一個特殊功能，是其在軌可進(jìn)行整翼拆卸、轉(zhuǎn)移?？紤]到后續(xù)空間站組建完成后，對核心艙太陽電池翼造成的遮擋，從而影響發(fā)電，這兩個太陽電池翼可由航天員與機(jī)械臂配合，實(shí)現(xiàn)艙外拆卸、轉(zhuǎn)移，安裝于后續(xù)發(fā)射的實(shí)驗(yàn)艙尾部桁架上，并在軌重新組建供電通道，這又被稱為“在軌能源拓展功能”。

以“鋰”相助長期居住條件佳

當(dāng)空間站運(yùn)行到太陽無法照射的陰影區(qū)時，由鋰離子蓄電池為整個艙體供電。如何確保鋰電的安全性?八院811所研制人員經(jīng)過長期攻關(guān)，從研制、使用、更換等多個角度，設(shè)計(jì)出了一種滿足空間站運(yùn)行需求的長壽命、大容量、高安全鋰離子蓄電池。

據(jù)介紹，鋰電最大的安全性問題是“熱失控”。對此，空間站鋰電在研制時采取了多種有效的手段：從源頭上，采用陶瓷隔膜，提供良好的防內(nèi)短路措施;在電池組內(nèi)使用阻燃材料，防止高溫引發(fā)燃燒;在電池組內(nèi)使用卸壓材料，為單體電池膨脹時提供空間;采用全密閉的鋰離子蓄電池箱體式結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)，為艙內(nèi)提供安全可靠的環(huán)境。

空間站核心艙共有6組鋰離子蓄電池，每組有66個單體電池。而鋰電使用時的難點(diǎn)，在于實(shí)現(xiàn)對每個單體電池的過充保護(hù)。811所研制人員設(shè)計(jì)出了一套智能化的鋰電管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠、高安全的鋰電充電控制。

例如，國內(nèi)首次采用高精度鋰電集聯(lián)采集系統(tǒng)，讓采集精度更高、控制點(diǎn)更準(zhǔn);國內(nèi)首次使用高效率高壓大功率充電模塊，充電時啟用三級保護(hù)機(jī)制，在任意情況下保證用電安全;同時，在充電過程中實(shí)施溫度監(jiān)測，當(dāng)充電溫度高于設(shè)定安全溫度值時，立即停止該機(jī)組蓄電池充電。

空間站在長達(dá)10多年的在軌運(yùn)行過程中，航天員需定期對鋰電進(jìn)行在軌更換。如何在不影響空間站的正常供電情況下，確保航天員的操作安全呢?

研制人員為鋰電更換操作上了“雙保險(xiǎn)”。核心艙有兩個功率通道，當(dāng)其中一個通道需要更換電池時，由另一個通道作為主力供電。且每個功率通道采用“2+1”機(jī)組工作模式，任意一個機(jī)組中的電池需要更換時，將本機(jī)組斷電，剩余兩個機(jī)組可以保證本通道正常供電。

此外，航天員在更換鋰電的時候，高壓電池組帶來了安全隱患。為此，研制人員在鋰離子蓄電池模塊中，安裝了兩個并聯(lián)的分段開關(guān)。通過將電池組的電壓降低到人體的安全電壓范圍，滿足人體的36伏安全電壓要求，保護(hù)了航天員開展在軌維修時的人身安全。

百萬次試驗(yàn)確保萬無一失

核心艙作為我國壽命設(shè)計(jì)要求最長的一個飛行器，10年的在軌飛行，對所有產(chǎn)品的長壽命提出了最高要求。

太陽翼作為艙外產(chǎn)品，要面對的空間環(huán)境極其惡劣，除了需要經(jīng)歷88000次±100℃的高低溫循環(huán)外，還要經(jīng)受低軌環(huán)境中原子氧、等離子體、紫外輻照、電離輻照等多種空間環(huán)境的考驗(yàn)。

為了使太陽電池翼具有良好的空間環(huán)境適應(yīng)性，八院805所柔性太陽電池翼研制團(tuán)隊(duì)，開展了3年多的方案論證和比較工作，集合了國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的頂級專家，總結(jié)出5項(xiàng)影響太陽翼長壽命的關(guān)鍵攻關(guān)項(xiàng)目，并經(jīng)過大量的地面模擬長壽命測試。

比如，太陽翼上的張緊機(jī)構(gòu)，是一套恒力彈簧繩索系統(tǒng)，通過它的不斷伸縮，才能保證太陽翼在高低溫環(huán)境下的足夠剛度以及姿態(tài)控制。張緊機(jī)構(gòu)的壽命試驗(yàn)要求是88000次，但為了確保它在10年的在軌工況中“張弛有度，收放自如”且“萬無一失”，團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年攻關(guān)，地面完成了40萬次熱真空疲勞壽命試驗(yàn)、100萬次常溫常壓壽命試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了產(chǎn)品的高可靠、長壽命。