“發(fā)明‘對構(gòu)齒輪’，靈感來自于小時(shí)候玩的‘滾鐵環(huán)’游戲?！?月25日，重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳兵奎教授介紹說。

7月24日，搭載中國空間站問天實(shí)驗(yàn)艙的長征五號運(yùn)載火箭成功發(fā)射。問天實(shí)驗(yàn)艙阿爾法對日定向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對構(gòu)齒輪傳動(dòng)的研發(fā)工作，正是由陳兵奎教授團(tuán)隊(duì)承擔(dān)。

重慶大學(xué)自主研發(fā)對構(gòu)齒輪傳動(dòng)，用于問天實(shí)驗(yàn)艙阿爾法機(jī)構(gòu)。

對構(gòu)齒輪保障柔性太陽翼24小時(shí)不間斷“追日”

根據(jù)央視的解讀，本次問天實(shí)驗(yàn)艙配置了目前國內(nèi)研制的最大面積可展收柔性太陽翼，單翼全展開狀態(tài)下長達(dá)27米，面積達(dá)138平方米，不管是展開面積還是供電能力，全新升級后的“翅膀”都達(dá)到了天和核心艙太陽翼的兩倍之多，雙翼超萬瓦級的供電讓空間站基本實(shí)現(xiàn)了“用電無憂”。

據(jù)介紹，受太陽入射角和空間站飛行姿態(tài)的影響，太陽翼的發(fā)電效率會(huì)因時(shí)段不同、姿態(tài)不同而產(chǎn)生相應(yīng)變化。為讓柔性太陽翼24小時(shí)不間斷追蹤太陽，保持最高狀態(tài)的發(fā)電效率，保障空間站用電，問天實(shí)驗(yàn)艙首次采用了我國目前設(shè)計(jì)規(guī)模最大、連續(xù)工作壽命最長、傳輸功率最大的大型回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品——對日定向裝置，實(shí)現(xiàn)太陽翼雙自由度同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，確保每一縷陽光都垂直照射在太陽翼上。

“我們歷經(jīng)8年自主研發(fā)的對構(gòu)齒輪傳動(dòng)，用在阿爾法機(jī)構(gòu)中，可以保持太陽翼如向日葵一樣，一直追著太陽，汲取能量?！标惐f，對構(gòu)齒輪的發(fā)明原理，來自很多人小時(shí)候玩過的“滾鐵環(huán)”游戲。

“滾鐵環(huán)直走的時(shí)候，鐵環(huán)垂直于地面。而拐彎的時(shí)候，鐵環(huán)與地面傾斜。因此，我們猜想曲線與曲面的接觸會(huì)具有很好的誤差適應(yīng)性。”陳兵奎和團(tuán)隊(duì)在“滾鐵環(huán)”原理基礎(chǔ)上，經(jīng)過研究，提出了具有很好誤差補(bǔ)償能力的線面對構(gòu)齒輪傳動(dòng)。

模擬小齒輪在大齒圈中的傳動(dòng)。

連續(xù)奮戰(zhàn)百天完成產(chǎn)品交付，已獲3項(xiàng)國際專利

據(jù)介紹，基于問天實(shí)驗(yàn)艙對日定向裝置的對構(gòu)齒輪研究，從2014年開始到今年成功發(fā)射升空，用時(shí)近8年。近年來，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)陸續(xù)形成了曲線—曲線、曲線—曲面的對構(gòu)圓柱齒輪、對構(gòu)錐齒輪等的理論體系。截至目前，已獲得德國、英國、法國等國際專利3項(xiàng)。此次升空的問天實(shí)驗(yàn)艙，采用的正是曲線與曲面的對構(gòu)齒輪。

回想起科研攻關(guān)的這些日子，陳兵奎表示，最艱苦的時(shí)候是在2020年的5月到8月。為了按時(shí)交付對構(gòu)齒輪正樣產(chǎn)品，團(tuán)隊(duì)成員夜以繼日趕工。陳兵奎說：“由于重慶沒有高精度的檢測設(shè)備，產(chǎn)品需要送到成都進(jìn)行協(xié)作檢測，為了趕時(shí)間，我們當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器24小時(shí)不停機(jī)地生產(chǎn)，一撥人也是24小時(shí)接力跑，馬不停蹄地把樣品生產(chǎn)出來送到成都檢測，再不斷調(diào)校，經(jīng)過100天的連續(xù)奮戰(zhàn)，最后成功交付?！?/p>

陳兵奎表示，問天實(shí)驗(yàn)艙中的對構(gòu)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的齒輪，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室論證，理論壽命可以達(dá)到25-30年，對于太空惡劣環(huán)境的耐受能力，也較傳統(tǒng)齒輪更為優(yōu)異。

1：1比例的問天實(shí)驗(yàn)艙對構(gòu)齒輪大齒圈。

未來還將推廣到汽車和機(jī)械制造等行業(yè)

此次問天實(shí)驗(yàn)艙的成功升空，讓重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室再度引發(fā)關(guān)注。

據(jù)了解，該實(shí)驗(yàn)室于1988年獲國家批準(zhǔn)建設(shè)，是我國首批工程技術(shù)領(lǐng)域的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，也是首批機(jī)械制造領(lǐng)域3個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一，主要從事以齒輪為重點(diǎn)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)、應(yīng)用基礎(chǔ)研究，是國際四大齒輪研究中心之一。

重慶大學(xué)黨委常務(wù)副書記王時(shí)龍介紹，近年來，依托機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶大學(xué)相關(guān)技術(shù)先后在嫦娥四號生物科普試驗(yàn)載荷、嫦娥五號著陸驗(yàn)證系統(tǒng)、首次月面無人鉆取采樣任務(wù)等國家重大工程中，解決了故障定位不準(zhǔn)、試驗(yàn)評價(jià)手段不足等關(guān)鍵難題。多次出色完成中國航天任務(wù)后，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)?！跋嘈盼磥恚谥袊纳羁仗綔y和載人航天領(lǐng)域還將出現(xiàn)重慶大學(xué)的身影。”王時(shí)龍堅(jiān)定地說。

陳兵奎透露，下一步，團(tuán)隊(duì)還將發(fā)揮對構(gòu)齒輪傳動(dòng)技術(shù)承重能力更強(qiáng)、更耐用、效率更高的優(yōu)勢，將其推廣到汽車、機(jī)械制造等其他行業(yè)當(dāng)中，讓航天科研創(chuàng)造更大的社會(huì)價(jià)值。