神舟十七号乘组维修空间站太阳翼

九天星辰

　　神舟十七号航天员乘组首次岀舱维修天和核心舱的太阳翼

　　2023年12月21日，神舟十七号航天员乘组首次出舱对中国空间站天和核心舱的太阳翼因太空碎片损伤部位进行修复，这一次岀舱任务也是中国空间站首次试验性舱外维修作业，意义重大。

14时10分，身着红色舱外航天服的航天员汤洪波打开问天气闸舱岀舱舱门，登上机械臂，转移至天和核心舱太阳翼的相关作业点，对核心舱太阳翼的正面和外侧面一片一片进行观察、拍照记录和试验性修复工作。随后岀舱的航天员唐胜杰，身着蓝色舱外航天服，在舱壁上自主攀爬转移，辅助观察，并配合航天员汤洪波开展舱外维修作业。航天员江新林在天和核心舱内负责机械臂的操控，支持航天员汤洪波在舱外的维修工作。

由于空间站太阳翼修复存在光照约束，在阳光照耀区，太阳翼在阳光照射下会产生电流，将影响航天员的作业安全。因此，航天员需要在阴影区时对核心舱太阳翼进行维修作业，在阳光照耀区时进行巡检 、拍照和维修准备工作。

空间站在太空绕地球飞行一圈大约90分钟，其中大概有50多分钟是在阳光照耀区，30多分钟在阴影区这么一个时间范围，所以我们的航天员为了避免带电操作的风险，就安排在阴影区30多分钟去完成太阳翼的维修工作。

21时35分，神舟十七号航天员汤洪波、唐胜杰经过约7.5小时的舱外作业，安全返回问天实验舱。这次岀舱作业，神舟十七号乘组三位航天员密切协同，在空间站机械臂和地面科研人员的配合下，圆满完成了即定的天和核心舱太阳翼的维修任务。

　　当前助力中国空间站遨游太空的太阳翼有三种不同的“翅膀”；神舟载人飞船采用的是刚性太阳翼、天舟货运飞船采用的是半刚性太阳翼、核心舱和2个实验舱采用的是柔性太阳翼，三款不同的太阳电池翼覆盖了目前所有太阳翼的种类。

尽管三款太阳翼造型风格不同，各具特色，各有所长，但它们撑起了中国空间站在轨运营的“能源担当”。截止目前，已经有28套刚性太阳翼、8套半刚性太阳翼以及6套柔性太阳翼翱翔在太空，为载人航天工程提供了源源不断的能源。

刚性太阳翼：技术成熟、稳定可靠、适应性广

刚性太阳翼指采用碳纤维面板、铝蜂窝复合材料作为基板的太阳电池翼，刚性太阳翼一般由1至4块刚性基板组成，每块刚性基板可以根据发电功率需求进行设计，长宽一般不超过3.5米×2.5米，厚度18毫米至22毫米，具有良好的刚度和强度，给电池片提供了一个“豪华大床”。刚性太阳翼是世界航天史上最早应用的可折叠式太阳电池翼，也是被各国广泛采用的技术方案。

神舟飞船的太阳翼结构即为碳纤维蜂窝夹层结构，展开后面积达24平方米，具有高刚度、高强度等优势；且一次展开到位，飞船入轨后，刚性太阳翼可在十几秒内快速展开，满足飞船的供电需求。自神舟一号开始，刚性太阳翼23年如一日“服役”于神舟飞船，如今已成为神舟飞船的绝佳搭档。

半刚牲太阳翼：轻量化、高承载、可实现空间环境防护

半刚性太阳翼突破了玻璃纤维网编织技术，创造性地采用了玻璃纤维网状结构，从而具备了轻量化、高压安全性、高承载性以及空间环境的强防护性，特别是对低轨空间环境中原子氧、等离子体的防护，极大的体现了半刚性太阳翼所具备的长寿命优势。

2011年，805所太阳翼团队成功研制岀国内首套低轨高压半刚性太阳翼，并首次应用于天宫一号实验室，助力天宫一号实现了在轨7年的可靠运行。

柔性太阳翼：大面积、柔性、长寿命、高可靠、可重复展收

空间站上搭载的各类科学仪器需要电源，航天员的日常生活也需要电源，传统的刚性、半刚性太阳电池翼因其体积、重量、功率等原因的限制无法满足这一需求，而柔性太阳翼体积小、展开面积大、功率重量比高，比如实验舱柔性翼全部收拢后厚度只有18厘米，与一部手机的长度相当，仅为刚性太阳翼的1/8。

目前，中国空间站共配备了2种规格6套大型柔性太阳翼。2021年4月29日，我国空间站的天和核心舱率先就位，核心舱单个太阳翼展开面积67平方米，相当于一个标准单打羽毛球球场的大小，可以提供9千瓦的电能。2022年问天实验舱和梦天实验舱陆续发射成功，他们各配备了2套plus版大型柔性太阳电池翼，单套太阳翼展开面积达到138平方米，单个功率高达18千瓦，4个这样的太阳电池翼为建成后的三舱组合体空间站提供了80%的能量，在满足了舱内搭载的各类科学仪器正常运转的同时，也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。

作为一种全新的太阳电池翼，柔性翼的系统组成、展开原理、技术难点与传统刚性、半刚性太阳翼大相经庭。传统刚性、半刚性太阳翼都是一次展开，在短短十几秒内就完成所有动作；而大型柔性太阳电池翼却在全世界范围内首创“二次展开”技术，整个过程持续80分钟，这是为了确保交会对接这一关键动作的绝对安全。以梦天实验舱的太阳翼为例，交会对接过程中两个数十吨级的航天器，以约7.9千米/秒的速度运动，需要精准地控制它们的位置、速度、姿态才能保证可靠的对接，稍有偏差航天器就会发生碰撞。如果太阳翼完全展开，实验舱就好比两只手各持一面巨大的帆，微小的抖动，都会导致实验舱的速度、相对位置和飞行姿态的控制精度严重下降，控制难度指数级增加。八院设计团队突破了“二次展开”的关键技术，在实验舱发射后独立飞行阶段，柔性太阳电池翼首先展开一部分电池板以满足实验舱能量需求，可以降低飞行控制难度使得交会对接又稳又准。对接完成后，再次完成全展开，建立完整的能源系统。

在整个展开过程中，数节伸展机构依次向外推出，带动太阳翼向外展开。而伸展机构所具备的高刚度、高强度的特点，满意的支撑了柔性太阳翼在飞行过程中保持稳定姿态，自由翱翔。

　　根据欧州航天局的最新预估，围绕地球运行直径大于10厘米的空间碎片有34000个，1厘米到10厘米的碎片数量约为90万个，直径在1亳米至1厘米之间的碎片有1.28亿个。这些太空碎片就是人们常说的“太空垃圾”，这些太空碎片在空间的运行速度非常快，在与航天器相遇时的绝对速度能达到7千米/秒以上，远远超过了子弹和炮弹。而空间站本身体积就很大，加上展开的巨大太阳翼，难免要受到太空碎片的威胁。

据前期检查发现，中国空间站太阳翼已经多次受到空间微小颗粒的撞击，造成轻微的损伤，虽然不影响使用，但空间站要实现在太空运行10年以上，那么对它的维修就是非常有必要的。

　　为了抵御高速飞行的太空碎片的威胁，我国科研人员在空间站的设计之初，就充分考虑到空间站的安全防护问题。天和、问天和梦天作为空间站的主体部分，他们的舱壁外都有铠甲一样的防护装置。我们的设计思路是，依靠吸收来袭碎片的动能来达到防护的目的。一方面利用玄武岩和芳纶制作的复合材料板抵御撞击，另一方面利用舱外的辐射器等附件作为防护板，依靠结构上的多重防护，层层削弱碎片的动能，最终起到确保舱壁安全的效果。

这套防护设计，其实早在“天宫一号”太空实验室的设计阶段，就得到了初步运用，虽然当时没有复杂的复合材料，但依靠结构防护设计，依然把舱体防护能力提高了3倍多，“天宫一号”的实践经验，给后来的中国空间站整体防护设计提供了基础。

在加强空间站自身防护的同时，在地面还组建了“空间碎片防护团队”，他们帮助“天宫”监视空间站的运行轨道，对该轨道层面的碎片进行编号跟踪，如发现有可能发生交会和碰撞的碎片，随时发岀预警，采取措施。

空间站天和核心舱还配备了4台轨道控制发动机和22台姿态控制发动机，以及4台霍尔推进器，共30台发动机随时处于待命状态，遇到紧急情况，依靠自身的动力可以保证精确变轨，以规避风险。

　　面对越来越多的太空垃圾，世界航天强国都在研究应对之法，目前比较有效有：装甲、变轨、机械臂、浮游炮、绳网等方法。

比如绳网捕捉法，如发现有一定机动能力和较大型状的太空垃圾，用一张直径几百米的绳网铺天盖地的扑来，真正很难逃脱。而这种方式，早在2018年9月16日，就由欧洲“碎片清理卫星”成功测试过了。当时它弹岀一张直径5米，由超轻型聚乙烯材料Dyneeme制成的网，成功捕捉了此前自己放出的，相隔6米的一颗小卫星。