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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”

日期 : 2022-07-26
摘要
“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。

“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。

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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。

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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。

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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。

赵深艳 责任编辑 宣传部