问天实验舱对构齿轮实现24小时不间断“追日” 重大教授称发明原理来自儿时游戏“滚铁环”

“发明‘对构齿轮’，灵感来自于小时候玩的‘滚铁环’游戏。”7月25日，重庆大学机械传动国家重点实验室陈兵奎教授介绍说。

7月24日，搭载中国空间站问天实验舱的长征五号运载火箭成功发射。问天实验舱阿尔法对日定向驱动机构对构齿轮传动的研发工作，正是由陈兵奎教授团队承担。

重庆大学自主研发对构齿轮传动，用于问天实验舱阿尔法机构。

对构齿轮保障柔性太阳翼24小时不间断“追日”

根据央视的解读，本次问天实验舱配置了目前国内研制的最大面积可展收柔性太阳翼，单翼全展开状态下长达27米，面积达138平方米，不管是展开面积还是供电能力，全新升级后的“翅膀”都达到了天和核心舱太阳翼的两倍之多，双翼超万瓦级的供电让空间站基本实现了“用电无忧”。

据介绍，受太阳入射角和空间站飞行姿态的影响，太阳翼的发电效率会因时段不同、姿态不同而产生相应变化。为让柔性太阳翼24小时不间断追踪太阳，保持最高状态的发电效率，保障空间站用电，问天实验舱首次采用了我国目前设计规模最大、连续工作寿命最长、传输功率最大的大型回转运动类空间机构产品——对日定向装置，实现太阳翼双自由度同时转动，确保每一缕阳光都垂直照射在太阳翼上。

“我们历经8年自主研发的对构齿轮传动，用在阿尔法机构中，可以保持太阳翼如向日葵一样，一直追着太阳，汲取能量。”陈兵奎说，对构齿轮的发明原理，来自很多人小时候玩过的“滚铁环”游戏。

“滚铁环直走的时候，铁环垂直于地面。而拐弯的时候，铁环与地面倾斜。因此，我们猜想曲线与曲面的接触会具有很好的误差适应性。”陈兵奎和团队在“滚铁环”原理基础上，经过研究，提出了具有很好误差补偿能力的线面对构齿轮传动。

模拟小齿轮在大齿圈中的传动。

连续奋战百天完成产品交付，已获3项国际专利

据介绍，基于问天实验舱对日定向装置的对构齿轮研究，从2014年开始到今年成功发射升空，用时近8年。近年来，团队已经陆续形成了曲线—曲线、曲线—曲面的对构圆柱齿轮、对构锥齿轮等的理论体系。截至目前，已获得德国、英国、法国等国际专利3项。此次升空的问天实验舱，采用的正是曲线与曲面的对构齿轮。

回想起科研攻关的这些日子，陈兵奎表示，最艰苦的时候是在2020年的5月到8月。为了按时交付对构齿轮正样产品，团队成员夜以继日赶工。陈兵奎说：“由于重庆没有高精度的检测设备，产品需要送到成都进行协作检测，为了赶时间，我们当时实验室的机器24小时不停机地生产，一拨人也是24小时接力跑，马不停蹄地把样品生产出来送到成都检测，再不断调校，经过100天的连续奋战，最后成功交付。”

陈兵奎表示，问天实验舱中的对构齿轮传动系统中应用的齿轮，经过实验室论证，理论寿命可以达到25-30年，对于太空恶劣环境的耐受能力，也较传统齿轮更为优异。

1：1比例的问天实验舱对构齿轮大齿圈。

未来还将推广到汽车和机械制造等行业

此次问天实验舱的成功升空，让重庆大学机械传动国家重点实验室再度引发关注。

据了解，该实验室于1988年获国家批准建设，是我国首批工程技术领域的国家重点实验室，也是首批机械制造领域3个国家重点实验室之一，主要从事以齿轮为重点的机械传动系统基础、应用基础研究，是国际四大齿轮研究中心之一。

重庆大学党委常务副书记王时龙介绍，近年来，依托机械传动国家重点实验室，重庆大学相关技术先后在嫦娥四号生物科普试验载荷、嫦娥五号着陆验证系统、首次月面无人钻取采样任务等国家重大工程中，解决了故障定位不准、试验评价手段不足等关键难题。多次出色完成中国航天任务后，积累了丰富经验。“相信未来，在中国的深空探测和载人航天领域还将出现重庆大学的身影。”王时龙坚定地说。

陈兵奎透露，下一步，团队还将发挥对构齿轮传动技术承重能力更强、更耐用、效率更高的优势，将其推广到汽车、机械制造等其他行业当中，让航天科研创造更大的社会价值。