科技公园文/胡月
中国载人空间站惊艳亮相，令全世界瞩目。
中国载人空间站不仅是我国开展大规模空间科学实验与应用的太空实验基地，更使我国载人航天事业产出一大批重大科学成果，突破一大批核心关键技术，取得无法估量的经济和社会效益。
中国载人空间站展现了中国航天越来越强大的实力，中国航天科技人员通过自力更生、自主创新，不断打破国外技术的封锁和垄断，解决了一大批关键难题，大大缩小了与世界的差距。
捕捉每一道阳光保证能量供给
受太阳入射角和空间飞行器飞行姿态的影响，航天器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。而对日定向机构是空间飞行器电源系统的重要组成部分，实现了太阳电池翼对日定向跟踪以及功率和信息的传输。
传统的对日定向机构在卫星、飞船以及其它空间飞行器上得到了广泛的应用，其相关技术也日趋成熟，然而由于空间站特殊的构型以及可靠性、长寿命设计需求，对日定向转动关节在驱动、电传输、电气控制以及在轨维修等方面均突破了传统对日定向机构的设计思路，其设计规模和复杂程度也远高于传统对日定向机构。
中国载人空间站工程于1992年9月21日由中国政府批准实施，代号“921工程”，是中国空间科学实验的重大战略工程之一。作为空间站的重要组成部分，阿尔法对日定向机构控制着太阳能帆板按照太阳的运行轨迹，时刻以一定的角速度旋转，为空间站提供动力需求。
但是，由于太空极端环境以及高低温交替变换的影响，对日定向装置的末端驱动齿轮副产生了中心轴线啮合变动的不利影响，具体表现在两齿轮轴线距离(中心距)、轴线偏斜以及轴线俯仰角偏差。为适应上述偏差需采用较复杂的自适应机构进行误差补偿，从而满足功能需求，但同时会引起传动环节过多、扭转刚度过低、可靠性下降、质量增加等问题。
发明灵感来源于儿时游戏
针对遇到的难题，团队提出新型齿轮传动方案——阿尔法对日定向机构中的对构齿轮传动，而这一发明灵感来源于一种民间游戏——“滚铁环”。
“滚铁环”游戏中，铁环直立时可以滚动，当铁环发生倾斜时同样可以滚动，只是滚动轨迹发生了变化。
空间站光电和太阳能关键核心部件设计团队在前期积累的理论研究和工业应用基础上，针对阿尔法机构对构齿轮传动进行了近8年的攻关，攻克了极端工况下对构齿轮设计理论与方法、多物理量作用下对构齿轮数字闭环精密加工与测量、拟实条件下对构齿轮加速疲劳寿命试验技术与装备等多项关键技术，并最终圆满完成了中国载人空间站问天实验舱和梦天实验舱阿尔法机构对构齿轮的研制任务。
据介绍，新型对构齿轮传动方案包括太阳能帆板接口法兰、舱体接口法兰、动力传输组件、滚动轴承组件、驱动/锁定组件、内齿圈等部件。末端齿轮副大齿轮采用内齿圈结构，内齿圈上下各由8组滚动轴承组件分别与太阳能帆板接口法兰、舱体接口法兰相连接。驱动/锁定组件有两组，由小齿轮、减速器组件、电机三者同轴安装组成，分别固接于太阳能帆板接口法兰和舱体接口法兰上，并分别与内齿圈两个斜齿轮啮合。驱动/锁定组件中的小齿轮为线面对构内啮合齿轮，与内齿圈构成线面对构齿轮副。
团队提出的新型对构齿轮传动方案，其突出的误差适应能力和较高的承载能力能够满足太空极端高低温交替变化对阿尔法机构提出的超大空间尺寸形变、高可靠、长寿命等严苛要求。基于对构齿轮的空间站阿尔法对日定向驱动机构具有齿轮副轴线距离±0.55mm、轴线偏斜以及轴线俯仰角0.5º的误差自适应能力，可实现超长寿命连续无故障在轨运转。
新方案具有三大技术优势
新的“追光方案”有三大技术优势。首先，提出曲线与曲线、曲线与曲面等几何元素啮合传动的理论与啮合副齿轮齿面的构建方法，论证了曲线/曲面啮合的存在性和唯一性，分析了线面啮合的多样性和误差自适应性。基于线面对构齿轮的空间站阿尔法对日定向驱动机构可实现对高低温交替变化引起的误差自适应，不再需要误差补偿机构，提高了系统的可靠性和扭转刚度，同时减轻了系统的重量。
其次，通过揭示线面对构齿轮理论接触迹线位姿和形状的漂移规律，提出修形齿面瞬时接触点的选取方法，构建基于预设接触特性范围要求的拓扑曲面，结合Leitz PMM-C高精度三坐标测量机和DMU-60 mono BLOCK五轴加工中心提出数字闭环精密加工与测量技术，实现空间站阿尔法机构对构齿轮齿面超高精度加工及高效率测量。
2022年7月24日和10月31日，中国载人空间站问天和梦天实验舱发射成功，有关部门向空间站光电和太阳能关键核心部件设计团队发来感谢信。信中写道：“我国空间站问天实验舱和梦天实验舱使用的大型对日定向装置是我国设计规模最大、电传输功率最大、工作寿命最长的超大型回转类驱动机构，技术难度远超同类产品，达到了现阶段我国在该领域的技术顶峰。作为空间站大型对日定向装置机械传动环节的关键核心部件，由贵单位机械传动国家重点实验室研制配套的线面共轭对构齿轮产品，具有承载大、精度高以及高低温适应能力强等突出特点，目前在轨传动性能稳定，有力保障了大型对日定向装置在轨稳定运行。”
感谢信最后写道，希望在后续的重点型号中，继续得到大力支持，“为我国航天事业做出新的更大的贡献。”
中国航天取得了一项项举世瞩目的成就，完成了众多人类探索创举，一些关键核心技术实现突破，战略性新兴产业发展壮大，载人航天、探月探火、深海深地探测等取得重大成果，团队成员表示：“身为科技工作者，能为国家航天事业尽一份绵薄之力，感到荣幸之至，未来我们将结合自身岗位工作，坚定航天报国决心，大力弘扬航天精神，为我国航天强国建设贡献自己的力量。”
