【太空请回答】鲲鹏展翅!一双“问天之翼”有何独特之处?

近日,有网友拍摄了一段中国空间站过境画面,问天实验舱就位后的空间站组合体张开它宽大的双翼正在遨游天际。那么,问天实验舱的这双“翅膀”究竟有何过人之处?今天,带你了解空间站组合体是如何做到鲲鹏展翅,迎光翱翔的。

问天实验舱这对巨大的“翅膀”,就是我们所讨论的问天实验舱太阳翼,它与天和核心舱太阳翼一样被称作柔性太阳能帆板或柔性太阳电池阵。这双“翅膀”能够将太阳能转化为电能,是航天器执行任务时必不可少的“能量之源”。

技术升级!供电能力Max

问天实验舱太阳翼翼展超过55米,堪比半个足球场。单翼展开面积可达110平方米,相当于一套三室一厅的公寓。太阳翼配置的柔性三结砷化镓电池,供电能力在32kW以上,一天发电量足够一个普通家庭使用一个半月。无论是展开面积还是供电能力,这对“翅膀”都达到了天和核心舱太阳翼的两倍之多。

此前,神舟系列载人飞船采用了第一代刚性太阳电池阵技术,天舟系列货运飞船采用了第二代半刚性模块化太阳电池阵技术,空间站各舱段则采用第三代柔性太阳电池阵技术,天和核心舱是我国对柔性太阳翼的首次应用,这项技术在问天实验舱的应用中又有崭新突破。

二次展开!防振技术Max

正因为有了这对超大“翅膀”,问天实验舱前去与核心舱对接就好像在“放着风筝开车”,太阳翼的振动会影响航天器在对接过程中的控制精度和稳定度。因此,为了尽量避免产生自激振荡等现象干扰对接,问天实验舱太阳翼采用了二次展开方案,初次展开长度约为6.5米,与天和核心舱前向对接后再二次完全展开,在使用结构滤波器的同时利用脉宽调制对太阳翼的振动进行控制,以“四两拨千斤”的方式,尽可能减少柔性太阳翼振动对交会对接任务的影响,让其在太空中“平稳翱翔”。

柔性太阳翼的展开过程不同于传统的刚性、半刚性太阳翼。首先,柔性太阳翼通过火工品爆炸进行解锁,将紧压在舱臂上的太阳翼抬升并侧展。随后,将捆绑太阳翼的“绳子”松开,即“约束释放”。最后,通过电机的控制将太阳翼慢慢向外伸展,这个过程仿佛是在“拧螺丝”,最终使太阳翼完全展开。

对日定向!能量收集Max

想要驱动起这两副柔性太阳翼在太空中流畅“划圈”,让它们可以全天候接收到来自太阳光的照射,并非易事。如果想象我们单手拿一把27米长的“芭蕉扇”,并以手腕为圆心做360°旋转,这就需要我们的手腕具有很强的承重能力和转动力量。而实验舱上的对日定向装置就相当于我们的手腕,它需要带动太阳翼持续旋转、稳定对日。

太阳翼采用了双轴控制,在舱体姿态不做调整的情况下,就能随时调整朝向。在太空运行中,问天实验舱的这对太阳能帆板能以最佳角度面向太阳,避免飞行过程中被其他舱段遮挡阳光。空间站在轨建造完成后,天和核心舱的一个太阳帆板将转移到问天实验舱资源舱的尾部。届时,问天实验舱将成为名副其实的“主发电站”,为组合体源源不断地供电送能。

问天实验舱太阳翼还有哪些特点和技术突破?我们具体来了解下↓↓↓

太空发电站 能量爆表

问天实验舱两扇巨大的“翅膀”上,铺有许多深色玻璃般的“小镜”,每一个“小镜”宛如一座太空“发电站”,经串联、并联后组成太阳电池阵,能够产生较高的电压和较大的电流,为航天器源源不断提供能量。用于空间站舱段的柔性太阳翼光电转换效率突破30%,这一优异性能令传统太阳翼望尘莫及。天和、问天、梦天三舱组合后,太阳电池阵总发电面积接近400m2,总共可提供超过80kW的电能,为航天器注入的能量再创新高。

轻盈灵巧 伸缩自如

独特的设计结构让柔性太阳翼变得轻盈灵巧。在发射过程中,柔性太阳翼起初宛如合拢的手风琴紧紧收缩于舱内,单板厚度不足1mm,可谓薄如纸张,且单位面积重量仅为传统太阳电池阵的一半。在相同发电能力下,柔性太阳电池阵的收拢体积可降低为传统太阳电池阵的20%。刚性电池与柔性基板的力、热匹配适应性难题也被巧妙解决,确保柔性太阳电池阵安全可靠。

为保证柔性太阳电池阵结构稳定、伸缩自如,针对太阳电池阵面对面加压收拢的发射段力学环境要求,柔性太阳电池阵将原本“立体”的元器件“压”成平面,有效保证了太阳电池阵表面平整度。在轨展开时,太阳翼“舒展筋骨”,缓缓向两侧展开,宛如被拉开的手风琴,在太空中奏响航天人的美妙乐章。

薄如蝉翼 身披“铠甲”

为解决长寿命空间环境适应性难题,柔性基板以“丝网印刷”基本原理为启发,研制自动化设备,精确控制压力、角度、速度等参数,实现柔性基板防护涂层自动均匀涂覆,顺利通过大剂量原子氧、高低温、紫外等环境考核试验,为产品披上“防护铠甲”,有效解决了空间站工程技术瓶颈问题。

超长待机 历经考验

为延长空间站在轨寿命,研制团队运用多重防护手段持续对柔性太阳翼进行评价试验,最终在问天实验舱发射前完成全部试验,验证太阳电池寿命可提升至15年,确保空间站运行寿命实现“超长待机”。

空间站柔性太阳电池阵用于天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱的在轨运行,是柔性三结砷化镓太阳电池阵技术在我国航天工程领域的首次应用,标志着我国太阳电池阵技术的再一次跃升。

从第一代刚性太阳电池阵技术应用于神舟系列载人飞船,到第二代半刚性模块化太阳电池阵技术应用于天舟系列货运飞船,再到如今第三代柔性太阳电池阵技术在空间站舱段的应用。这对航天器的“翅膀”愈加强劲灵动,飞行更加稳健持久,空间站组合体也将在“问天之翼”的加持下行稳致远。

来源/中国空间技术研究院、中国电子科技集团公司

【100份申请只有29份能过,这个装置挺“卷”】8月中旬,广东东莞。天气时晴时雨,空气潮湿闷热,郁郁葱葱的荔枝林里,我国迄今为止已建成的、单项投资规模最大的大科学工程——中国散裂中子源正在进行暑期停机检修。

2018年8月23日,中国散裂中子源项目通过国家验收,正式投入运行。从那时起,这片昔日的荔枝林里,人气就起来了。这里的年均公众参观访问量超1万人次,最火爆的一次线下科普活动中,科研人员半天里就接待了6000人次,前来参观的小汽车一直从中国散裂中子源的大门口排到高速路口。不仅如此,科学界和产业界对中国散裂中子源机时的竞争也很激烈,项目申请书逐年成倍增加,以至于每100份申请书中,只有29份能成功。

这台已运行4年的大装置为何如此“火爆”?趁着停机检修,《中国科学报》记者深入实地一探究竟。

红的、绿的、蓝的、黄的……

好看:五彩斑斓的“黑科技”

每年,中国散裂中子源都会放“暑假”,停机时间长达一个半月到两个月,这段时间,科研人员要给装置做“保养”。

中国散裂中子源是由国家发改委立项支持建设的国家重大科技基础设施,法人单位是中国科学院高能物理研究所。这个装置让中国成为继英国、美国、日本后世界第四个拥有脉冲散裂中子源的国家。

散裂中子源常被比作“超级显微镜”,因为它能够用加速器加速质子打到靶上产生的中子,来探索物质微观结构。

它的源头——加速器系统,像卧龙一般,藏在地下。

地下17米,空调和新风系统让原本湿热的空气变得干爽。沿着亮绿色走道向前,人们能看见一个五彩斑斓的“黑科技”世界。

黄色的是可以让粒子“飞奔”起来的漂移管直线加速器系统,蓝色的是可以把粒子聚成一束的四极磁铁,红色的是可以让粒子以15度角“拐弯”的二极磁铁……

它们先是串成一条长串,之后又围出一个大环。长串部位是直线加速器,环形部位是快循环同步加速器。看似庞大笨重的装备,安装精度要达到10微米到百微米级别,使得自然界微小的物质-质子,能够按要求得到控制并加速。

一旦运行起来,每1秒钟,快循环加速器会像旅游大巴一样“接待”25波等待加速的负氢离子。每波负氢离子“上车”后,会转换为质子,并在0.02秒里沿着快循环同步加速器跑约20000圈,直到速度达到0.92倍光速。

接着,接近光速的质子束像“微型子弹”一样,冲向重金属靶,金属靶的原子核被撞“碎”,科学家又用特殊装置把“碎片”里不带电的中子降速后,引入一台台谱仪中。

谱仪位于离加速器隧道不远的地方,同样五彩斑斓。

中国散裂中子源一期共建了3台谱仪,分别是有着绿色外壳的通用粉末衍射仪、小角中子散射仪,以及有着蓝色外壳的多功能反射仪。

4年来,中国散裂中子源还与粤港澳大湾区高校、研究机构等合作建设了若干条谱仪,以满足全国及地方研究机构和企业的需求。

红的、绿的、蓝的、黄的……以靶站为中心,已经建成和正在建设的谱仪向四面伸展,让中国散裂中子源看起来像一朵绽放的七色花。

“我们的设备国产化率达到90%以上。”散裂中子源科学中心主任、中国科学院高能物理研究所副所长陈延伟告诉《中国科学报》,全国近百家合作单位完成了装置各项设备的研制与批量生产,许多设备达到国际领先或先进水平。

5000、97%、800、122%……

好用:超级显微镜的“超能力”

在中国散裂中子源,科研人员喜欢用数字说话。

最让他们自豪的一个数字是“5000”。在这里,时间不按年、月、日算,而是按小时算。“我们每年打靶提供中子束流的时间在5000个小时。”陈延伟说。

5000小时,意味着一年8700多小时里,中国散裂中子源大部分时间都在产生中子,开展实验。“国际上的其他三台散裂中子源,英国、日本每年的中子束流时间一般都在4000小时左右。”陈延伟说。

另一个让他们自豪的数字是“97%”。“2020年到2021年,我们的实际运行效率超过了97%,这是全球其他散裂中子源都无法达到的效率。”散裂中子源科学中心副主任、中国科学院高能物理研究所研究员王生说,实际运行效率是散裂中子源实际运行时间与计划运行时间的比值。数字越高,说明散裂中子源故障率越低,按计划运行的稳定性更好。

在描述中国散裂中子源的运行成效时,他们则喜欢用课题的数量来说明。“4年,中国散裂中子源开放运行8轮,共完成800余项课题,重点支持国家重大需求项目的机时。”陈延伟说。

面向国家重大需求,他们完成了航空航天发动机叶片应力测试,对“奋斗者”号焊接工艺进行验证……

面向世界科技前沿,他们开展了超级钢、分子筛吸附剂、量子材料等研究。

面向经济主战场,他们在高性能芯片、电池、材料、应力检测等领域,为钢铁研究总院、国电电力发展股份有限公司、中国石油天然气集团有限公司等高技术企业和研究机构提供了重要支撑。

面向人民生命健康,他们在2020年8月成功研制出我国首台具有完全知识产权的硼中子俘获治疗实验装置,并于今年7月底在东莞市人民医院开始安装。

好的数据和成果,使用户像滚雪球一般激增。陈延伟介绍,目前,注册用户已超过3800人,2021至2022年度申请课题数同比增长了122%,课题申请的通过率为29%。

提功率、优性能、加终端、做交叉……

好谋:未来的“小目标”

日渐激增的机时申请和正在加剧的科技战,让中国散裂中子源的“升级”成为现实需求。

早在工程设计之初,科研人员就为装置升级预留了空间。正因如此,未来可以直接在一期工程的基础上升级改造。

陈延伟介绍,目前,中国散裂中子源已经完成一期的全部设计指标。2020年2月,打靶束流功率达到100千瓦的设计指标,比原计划提前一年半;2022年2月,打靶束流功率达到125千瓦,超过设计指标25%,并且实现了稳定高效运行,大幅度地提高了装置性能。

提升打靶束流功率,会使装置在同等时间里生产出更多中子,进而使实验时间缩短,样品分辨率提高。“就好比白天光线强时拍照,曝光时间会比晚上拍照时短,而且拍出来的照片也会更清晰。”陈延伟解释。

科研人员对未来的“小目标”之一,就是将打靶束流功率提升到500千瓦,让中子源变得更“亮”。

此外,散裂中子源科学中心副主任梁天骄介绍,中国散裂中子源升级改造后,有望覆盖用户需求的绝大部分领域,满足更多尺度结构和动力学表征,为多学科交叉研究提供更有力的支撑。

如今,趁着暑期停机检修,这里的科研人员正在为即将安装的新谱仪和实验终端做前期准备。对于该装置未来的进展,《中国科学报》还将持续关注。https://t.cn/A6Sy11RK

人口出生率下降、生源外流、招生困难,我家乡的村小覆盖周边几个村子,一个年级只有几个学生,整所学校不足百人。如此之下,合并是迟早的事。

我读初中时,经历了一次全市中学合并。当时我们乡镇几所中学合并为一所中学,我们那一届每个班五六十人、共八个班。如今,最多两个班,基本就是一个班。

小学、中学会合并,合并的时候那些没有编制的代课老师逃不过失业的命运。不过几年,大学也会迎来“合并”。据我观察,普通高校部分专业招生困难,学生过少、没有学生自然是合并、裁撤。

我们这些民办高校,生源减少、招生困难时,裁员是必定的,而自己又是尚无退路,只有等死了。

我们专业生源还可以,一届学生200人左右。中间停招了一年,今年新生入学只有40人。平时教师有10个左右。因为要评估,下学期会入职十几个。加上十来个兼职老师,凑够了师生比。

如此,评估过后。没有那么多学生,也不需要这些老师了,卸磨杀驴肯定上演。我不能保证自己不会成为那只驴。民办高校教师,前途是个问题。

即使是评估过后,人口红利过去、出生率也不高,招生难度增大。民办高校学生人数少,需要的老师自然也是少。


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