问天实验舱上的对构齿轮传动装置示意图。重庆大学供图
封面新闻记者曹钰
7月24日14时22分，中国空间站问天实验舱成功发射的消息让无数国人为之振奋。而“问天”成功升空叩苍穹的背后，是无数个中国科学家团队的艰苦付出与智慧结晶，其中，问天实验舱阿尔法对日定向驱动机构的“对构齿轮传动”装置由重庆大学的科学家团队，历时八年自主研发而成。
“对构齿轮传动”是什么？有什么作用？这项技术的理论依据又是什么？7月25日，封面新闻来到位于重庆大学A区民主湖畔的机械传动国家重点实验室，见到了“对构齿轮传动”的研发团队负责人陈兵奎教授，揭秘该项技术背后的故事。
重庆大学机械传动国家重点实验室陈兵奎教授。
小部件发挥对日定向追踪“大作用”
研发灵感来自“滚铁环”
步入机械传动国家重点实验室，封面新闻记者见到了问天实验舱阿尔法机构“对构齿轮传动”装置1:1实物——一个直径约1.2米左右的“大铁环”以及辅助“大铁环”运行的约手掌大小的“小齿轮”组成。
对于总长17.9米，直径4.2米的问天实验舱舱体来说，“对构齿轮”仅是个小部件，却发挥着“大作用”。
“对构齿轮”是什么？能起怎样的作用？重庆大学机械传动国家重点实验室陈兵奎教授介绍道，“‘对构齿轮’安装在问天实验舱太阳翼对日定向装置里面。它可以保证整个太阳翼在工作的时候，24小时不间断地对日定向追踪，从而保证阳光都垂直照射在太阳翼上，使得太阳翼的发电效率最高，为空间站提供源源不断的电能。”
问天实验舱阿尔法对日定向机构“对构齿轮传动”装置的小齿轮。
同时，随着科学实验任务更多地开展，空间站载荷的供电需求成倍增加。问天实验舱配置了目前国内研制的面积最大的可展收柔性太阳翼，单翼全展开状态下长27米，面积可达平方米。
因此，“对构齿轮”驱动的对日定向装置就能让柔性太阳翼24小时不间断追踪太阳，保持最高状态的发电效率，向空间站源源不断地输送动能。
“‘对构齿轮’作为一种新型齿轮传动，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以及高可靠、长寿命等严苛要求。”陈兵奎教授进一步解释。
“它的原理是我们受小时候滚铁环的启发而提出的。”陈兵奎教授说，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，他便猜想，利用曲线与曲面的接触会具有很好的误差适应性。
后来，陈兵奎教授和团队经过深入研究，将“滚铁环”的想法上升到齿轮啮合的理论，从而提出了具有很好误差补偿能力的线面“对构齿轮”传动。
问天实验舱阿尔法机构“对构齿轮传动”装置的大齿轮（下方大圆盘）。
偶然机遇为航天事业贡献“重大力量”
成渝接力天完成交付
陈兵奎教授谦虚地说，“对构齿轮”能够有幸成为问天实验舱的一部分，缘于一个偶然机会。
早在年，陈兵奎教授团队便开展对构齿轮的研究。之后陆续形成了曲线—曲线、曲线—曲面的对构圆柱齿轮、对构锥齿轮等理论体系。截至目前，研究成果已经获得3项国际专利。
“最早‘对构齿轮’多应用在工业领域，如西宁特殊钢股份有限公司的某生产线上，那时的寿命仅有4—6个月，还包括一些舰船应用。”陈兵奎教授说。
也就是说，陈兵奎教授起初并没有把自己团队的研究成果与中国航天事业结合起来。
然而机会总是垂青有准备的人。年，上海宇航系统工程研究所的专家一行到重庆大学访问，在参观机械传动国家重点实验室时，偶然发现了“对构齿轮”的存在。“他们很惊喜，说正在全国各地找这个东西，我说我们刚好有，就这样对上了。”陈兵奎回忆说。
接下来的八年时间里，机械传动国家重点实验室便开启了问天实验舱阿尔法机构“对构齿轮传动”装置的研发过程。
“研发期间遇到了很多的困难，例如，我们要仿真模拟大小齿轮在各种误差因素作用下齿面的接触痕迹，最后得出优化的参数，光仿真运算过程都要花十天半个月的时间。”陈兵奎教授说。
年5月至8月期间，为了按时交付“对构齿轮”正样产品，团队成员夜以继日工作，5+2、白加黑，成为团队工作的常态。
在产品检测阶段，研发团队遇到了一个不小的麻烦，“由于重庆没有适宜的三坐标测量机（检测设备），制造的产品合不合规，能不能用得上？”陈兵奎教授又带着团队到处打听，终于获悉成都航天职业技术学院有合适的设备，能够对成品进行科学检测。
消息让陈兵奎教授振奋不已。“当时团队先联系好成都航天职业技术学院，在重庆进行24小时加工，然后马不停蹄地第一时间送去成都检测。根据检测结果，再返回重庆进行修正。就这样‘成渝接力’，奋战了天，终于完成产品交付。”陈兵奎教授回忆道，“当时所有的正样产品成功交付后，心情是非常愉悦开心的，团队终于不负使命！”
陈兵奎教授团队的心血并没有在问天实验舱这里划上句号，中国空间站下一个实验舱——梦天实验舱使用的“对构齿轮传动”装置产品也同步交付了。
下一步，陈兵奎教授还将带领团队发挥“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，让航天科研成果创造出更大的社会价值。
实验室内的其他产品。
不简单的国家重点实验室
陈兵奎教授所在的重庆大学机械传动国家重点实验室，于年获国家批准建设，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，亦是国际四大齿轮研究中心之一。
实验室定位于机械传动及其相关领域的基础和应用基础研究，瞄准国防和国民经济建设对机械传动及系统的重大需求。
近年来，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。
据重庆大学党委常务副书记王时龙介绍，除了在航天领域，机械传动国家重点实验室在航母大规格齿轮制造、航空齿轮传动、坦克传动等方面承担了大量国家重大任务，均有出色表现。
“国家的需要就是我们重庆大学机械传动国家重点实验室的责任担当。”王时龙表示，未来，在中国的深空探测和载人航天领域，重庆大学还将继续发挥拳拳报国心。