航天器大型密封艙垂直進(jìn)艙工裝設(shè)計(jì)

趙 璐，肖正懿，黃 壘，曾 婷，劉孟周

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

0 引言

大型載人航天器目前主要有飛船、空間站和航天飛機(jī) 3種，其中飛船和航天飛機(jī)主要用于天地往返運(yùn)輸，而空間站則長期在太空中運(yùn)行，提供觀測天地、科學(xué)研究、太空生產(chǎn)和在軌服務(wù)[1]。目前，空間站從總體構(gòu)型上大致可分為艙段式和桁架式兩種結(jié)構(gòu)。不管是艙段式還是桁架式，空間站都是以圓筒形壓力艙作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)?？臻g站為多艙式結(jié)構(gòu)，由居住艙、實(shí)驗(yàn)艙、資源艙、對接過渡艙和氣閘艙等組成，是航天員工作、生活的活動(dòng)場所[1-2]。

大型密封艙作為大型載人航天器的主體結(jié)構(gòu)，在總裝過程中有水平和垂直兩種停放狀態(tài)。在垂直停放狀態(tài)下，操作人員進(jìn)入密封艙內(nèi)進(jìn)行儀器安裝以及電測配合等操作時(shí)，需借助垂直進(jìn)艙工裝，穿過前端框進(jìn)入密封艙并到達(dá)預(yù)定位置時(shí)執(zhí)行相應(yīng)操作。本文將結(jié)合大型密封艙裝配特點(diǎn)和需求，研究和探討大型密封艙的垂直進(jìn)艙方案。

1 大型密封艙的特點(diǎn)

航天器大型密封艙是一個(gè)型面復(fù)雜的薄壁密封艙，它由球面、錐面和柱面組成，在側(cè)壁上分布有多個(gè)口框法蘭[3]。密封艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配空間局促，裝配的設(shè)備儀器數(shù)量巨大，且形狀復(fù)雜各異，裝配時(shí)易發(fā)生磕損，因此裝配難度極大。密封艙總裝很關(guān)鍵，在很大程度上會影響其研制周期和成本，也決定著航天器產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

1.1 密封艙體特點(diǎn)

密封艙通常是由輕質(zhì)金屬薄壁板焊接而成的圓柱形結(jié)構(gòu)，體積大，密封性能要求高。除特定的吊點(diǎn)和支撐位置外，其他位置均不能作為承力部位。密封艙通常由前錐段、圓柱段及后錐段3部分組成，總高達(dá)7～8 m，有的甚至高達(dá)10 m以上，直徑在4 m左右。前錐段安裝有艙間連接設(shè)備和機(jī)構(gòu)，例如艙門、對接機(jī)構(gòu)及其部分配套設(shè)備。這些設(shè)備安裝精度要求高，部分光學(xué)敏感設(shè)備容易受到污染和磕損，需格外防護(hù)。圓柱段是航天員生活和工作的主要場所，艙體表面布置有防護(hù)板和輻射器，用作空間碎片防護(hù)和艙內(nèi)設(shè)備溫度調(diào)節(jié)。后錐段根據(jù)實(shí)際需要配置有效載荷，擴(kuò)展了密封艙的使用效能。

1.2 密封艙入口特點(diǎn)

密封艙前錐段入口是航天員進(jìn)出艙的通道，具有通道小、縱深長、周邊儀器設(shè)備復(fù)雜的特點(diǎn)。入口處有圓形密封艙門，艙門打開時(shí)會占據(jù)通道部分空間。在艙門外側(cè)布置有對接機(jī)構(gòu)機(jī)械組件或其他艙間連接機(jī)構(gòu)，艙間連接機(jī)構(gòu)內(nèi)徑約為0.8 m，入口通道長約0.6 m。如何利用這個(gè)狹小通道，將是解決密封艙垂直進(jìn)艙的關(guān)鍵所在。

1.3 艙內(nèi)布局特點(diǎn)

密封艙內(nèi)部主要分為航天員自由活動(dòng)區(qū)、睡眠區(qū)和儀器區(qū)3個(gè)區(qū)域。艙內(nèi)壁周向布置有蜂窩結(jié)構(gòu)板，用作儀器設(shè)備安裝（如通風(fēng)設(shè)備、凈化設(shè)備、各類電子設(shè)備、儀表板布置、艙內(nèi)照明燈和艙內(nèi)攝像機(jī)等）；艙內(nèi)前端Ⅱ、Ⅳ象限內(nèi)各設(shè)有一個(gè)睡眠區(qū)；自由活動(dòng)區(qū)位于密封艙的軸線中心位置，基本不安裝設(shè)備，是適合垂直進(jìn)艙工裝布置的位置。

綜上分析，當(dāng)密封艙垂直停放進(jìn)行總裝測試時(shí)，特別是對接機(jī)構(gòu)安裝完成后，工作人員需要借助垂直進(jìn)艙工裝穿過對接機(jī)構(gòu)，經(jīng)由前端框進(jìn)入密封艙執(zhí)行相應(yīng)的裝配操作。因此需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)垂直進(jìn)艙工裝，以滿足操作人員艙內(nèi)操作安全和質(zhì)量要求。

2 垂直進(jìn)艙方案概述

為解決大型密封艙垂直進(jìn)艙問題，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了3套工裝方案。

2.1 進(jìn)艙吊籃方案

在密封艙前錐段搭建進(jìn)艙保護(hù)工裝，實(shí)現(xiàn)對前錐段關(guān)鍵設(shè)備的保護(hù)，并設(shè)計(jì)專用吊籃供操作人員進(jìn)出艙。借助進(jìn)艙保護(hù)工裝安裝進(jìn)艙導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，吊籃在起重機(jī)械的起吊下沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)移動(dòng)至密封艙內(nèi)位置。吊籃結(jié)構(gòu)如圖1所示，其上裝有踏板，可供人員攜帶裝配物品站立。吊籃四周的護(hù)欄采用吊橋式結(jié)構(gòu)，展開時(shí)可作為操作平臺使用。吊籃在艙內(nèi)的位置如圖2所示。

1407 Association between type 2 diabetes mellitus and hepatitis B virus-related hepatocellular carcinoma: a prospective cohort study

吊籃在艙內(nèi)沿著導(dǎo)向機(jī)構(gòu)移動(dòng)，到達(dá)操作位置后，將吊橋式護(hù)欄展開并連接牢固，操作人員站在護(hù)欄上進(jìn)行操作。進(jìn)艙導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)向塊與保護(hù)工裝和艙內(nèi)底部法蘭相連，防止吊籃晃動(dòng)和與其他設(shè)備防止磕碰。

此方案只需要設(shè)計(jì)專用的吊籃以及滿足尺寸要求的導(dǎo)桿，借助起重機(jī)械即可達(dá)到合適操作位置。方案結(jié)構(gòu)簡單，快捷方便，但受起重機(jī)械和在垂直狀態(tài)拆裝導(dǎo)桿的局限，預(yù)先準(zhǔn)備工作以及作業(yè)后恢復(fù)工作具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 吊籃結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of lifting basket

圖2 吊籃使用效果圖Fig.2 The renderings of the basket

2.2 分段式組合梯方案

分段式組合梯主要由分段式支撐框架、固定回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和工作平臺3部分組成，如圖3所示。分段式支撐框架由3個(gè)可拆裝的方梯組裝而成，每個(gè)方梯都能與過渡盤連接，通過組裝方梯的個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)進(jìn)入密封艙內(nèi)的長度。3個(gè)方梯之間的組裝和拆卸不需要任何其他工具，也不會產(chǎn)生如螺釘螺母之類的多余物，定位銷和固定銷也必須用小鏈條拴在工裝本體上，最大限度地避免產(chǎn)生多余物的風(fēng)險(xiǎn)。

固定回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由固定盤和旋轉(zhuǎn)盤組成，固定盤固定在外圍的工裝法蘭端面上，旋轉(zhuǎn)盤通過滾柱實(shí)現(xiàn)相對于固定盤的旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)分段式支撐框架旋轉(zhuǎn)。

將過渡盤固定在保護(hù)工裝上，再將組裝好合適長度的垂直架梯固定于過渡盤上；旋轉(zhuǎn)過渡盤到合適的位置與固定回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接并固定后，操作人員就可沿垂直架梯下至操作平臺上。操作平臺結(jié)構(gòu)為可展開的工作踏板，人員可以攜帶工具包站在其上，四周的護(hù)欄展開即為操作平臺。

分段式組合梯方案通過輕質(zhì)型材連接實(shí)現(xiàn)可伸縮功能，機(jī)構(gòu)中全部采用機(jī)械連接形式，操作過程簡化，可靠性高，但仍需要在起重機(jī)械配合下完成對組合梯的伸縮調(diào)整。

圖3 分段式組合梯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Connection of segmented combination ladder

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降平臺在密封艙內(nèi)上、下移動(dòng)，從而能夠讓操作人員在垂直方向上的操作范圍覆蓋整個(gè)艙段。具體實(shí)現(xiàn)形式有以下3種。

1）鋼絲、工作臺組合方案

如圖4所示，整個(gè)工裝由導(dǎo)向滑輪、鋼絲繩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、工作平臺、可折疊踏板組成。其中工作平臺由4根鋼絲繩吊裝，而鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪組由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過滑輪組保證4根鋼絲繩的同步性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)及導(dǎo)向滑輪組通過轉(zhuǎn)接板連接在對接機(jī)構(gòu)的保護(hù)工裝上，同時(shí)工作臺通過鉸鏈與可折疊踏板相連。進(jìn)艙時(shí)可折疊踏板為豎直放置狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作區(qū)域時(shí)將可折疊踏板向下 90°翻轉(zhuǎn)展開，并可靠搭接在儀器區(qū)側(cè)壁伸出的支撐限位器上，保證操作過程中工作平臺的穩(wěn)定性。

圖 4 鋼絲繩、工作平臺組合方案Fig.4 The combination scheme of the wive rope and the working platform

2）可伸縮導(dǎo)桿、工作臺組合方案

方案原理如圖5所示，整個(gè)工作平臺由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)向滑輪、可伸縮導(dǎo)桿（一根）、鋼絲繩、可折疊踏板、工作臺、折疊鉸鏈、支架等幾部分組成。鋼絲繩通過可伸縮導(dǎo)桿與工作臺相連，而可伸縮導(dǎo)桿的末端與工作臺固連，鋼絲繩在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在自重的作用下可伸縮導(dǎo)桿也可上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)人員的上升與下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)工作區(qū)域時(shí)，將可折疊踏板向下翻轉(zhuǎn)，使得人員可以在儀器區(qū)進(jìn)行設(shè)備安裝操作，而電機(jī)與導(dǎo)向滑輪支架通過轉(zhuǎn)接板固定在對接機(jī)構(gòu)的保護(hù)工裝上。

圖 5 可伸縮導(dǎo)桿、工作平臺組合方案Fig.5 A combination of scalable guide and working platform

3）固定導(dǎo)桿、工作臺組合方案

方案原理如圖6所示，整個(gè)工作平臺由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)向滑輪、固定導(dǎo)桿（3根）、鋼絲繩、可折疊踏板、工作臺、折疊鉸鏈、支架幾部分組成。鋼絲繩一端與工作臺直接相連，固定導(dǎo)桿直接固連在對接機(jī)構(gòu)的保護(hù)工裝上，通過工作臺上設(shè)置的3個(gè)滑動(dòng)軸承穿過工作臺，可作為工作臺升降運(yùn)動(dòng)過程中的導(dǎo)向。鋼絲繩在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及自重的作用下實(shí)現(xiàn)工作臺上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作區(qū)域時(shí)，將可折疊踏板向下翻便可進(jìn)行安裝操作，而電機(jī)與導(dǎo)向滑輪支架通過轉(zhuǎn)接板固定在對接機(jī)構(gòu)保護(hù)工裝上。

圖 6 固定導(dǎo)桿、工作平臺組合方案Fig.6 The combination of the fixed guide rods and the working platform

電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案自動(dòng)化程度高，系統(tǒng)整體性好，可防止工作臺晃動(dòng)；導(dǎo)向滑輪設(shè)置簡便，可折疊踏板無需借助儀器板進(jìn)行支撐，也不需要依賴起重機(jī)械，但安裝調(diào)試較為繁瑣，在應(yīng)對緊急狀態(tài)操作時(shí)，可靠性還不如機(jī)械裝置高。

3 影響因素的分析

3.1 艙外總裝平臺的分析

總裝平臺是航天器總裝過程中不可或缺的地面機(jī)械支持設(shè)備（MGSE）。在航天器總裝過程中，要安裝的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之復(fù)雜，價(jià)格之昂貴，既要滿足操作人員對操作過程舒適度的要求，確保各個(gè)方位各個(gè)高度的定位以避免操作死角，同時(shí)還要考慮產(chǎn)品的對接、起吊、定位和轉(zhuǎn)運(yùn)等。在總裝過程中，大多數(shù)操作都是在總裝平臺上完成，特別是大型密封艙的總裝工作。艙內(nèi)、艙外的裝配大多情況下需要同步操作，因此，垂直進(jìn)艙工裝不可能單獨(dú)完成所有的裝配工作，必須依附于艙外的總裝平臺，垂直進(jìn)艙工裝是艙外總裝平臺在密封艙內(nèi)的延伸和拓展，需要借助于艙外總裝平臺作為支持平臺。因此，合理的艙外平臺布局是垂直進(jìn)艙工裝方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3.2 對密封艙體的影響分析

垂直進(jìn)艙工裝除了借用艙外總裝平臺作為支撐外，還直接或者間接地需要借用密封艙結(jié)構(gòu)為支撐點(diǎn)，因此，合理選擇艙體的承力點(diǎn)以及對密封艙受力影響的分析至關(guān)重要。包括垂直進(jìn)艙工裝的支撐點(diǎn)及緊固點(diǎn)選擇、工裝和密封艙體間傳力路徑以及艙體和工裝一體化受力分析。由于垂直進(jìn)艙工裝具有負(fù)載大、跨度長的特點(diǎn)，它的動(dòng)態(tài)載荷會非常大，所以合理選擇傳力路徑就成為方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。合理選擇傳力路徑（包含支撐及緊固點(diǎn)的確定）需考慮如下問題：垂直進(jìn)艙工裝調(diào)整和固定工裝狀態(tài)下的最大包絡(luò)尺寸條件；操作方式、路徑以及帶來的動(dòng)載，大型密封艙結(jié)構(gòu)能夠提供的最大安裝能力以及最大局部強(qiáng)度與剛度能力。這些都構(gòu)成對艙體影響分析的基本因素。

3.3 總裝環(huán)境適應(yīng)性分析

根據(jù)航天器總裝集成的特點(diǎn)，對生產(chǎn)廠房的總裝環(huán)境要求和操作要求很嚴(yán)。如廠房的空氣潔凈度為10萬級，環(huán)境溫度為20±5 ℃，相對濕度為30%～60%；設(shè)有防靜電設(shè)施；由于航天器生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜、技術(shù)狀態(tài)要求嚴(yán)格，因此在總裝生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格控制多余物[4]；在組裝和拆卸垂直進(jìn)艙工裝時(shí)盡量不使用額外的工具，防止產(chǎn)生螺釘螺母等小物件，即使是便于快速操作的定位銷和固定銷等，也必須采用防脫落保險(xiǎn)裝置連接于工裝上，最大限度地防止產(chǎn)生多余物的風(fēng)險(xiǎn)；活動(dòng)部件采用無屑、無油的干膜潤滑，嚴(yán)禁污染環(huán)境。

3.4 方案的安全性分析

眾所周知，航天產(chǎn)品具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的特點(diǎn)，安全工作是一切工作的重中之重。為確保垂直進(jìn)艙工裝不對大型密封艙帶來潛在的危害，必須評價(jià)垂直進(jìn)艙方案的安全性。垂直進(jìn)艙工裝的安全性分析要考慮進(jìn)艙方案的安全性和艙內(nèi)總裝的安全性兩個(gè)方面，前者強(qiáng)調(diào)進(jìn)艙工裝本身的應(yīng)用安全性，后者則偏重于操作者的安全分析。在安全設(shè)計(jì)中使用加嚴(yán)條件，例如提高垂直進(jìn)艙工裝的強(qiáng)度剛度和抗沖擊載荷能力（動(dòng)載荷系數(shù)加倍、提高安全系數(shù)裕度等）。在垂直進(jìn)艙工裝使用前應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)和加載轉(zhuǎn)動(dòng)、起吊等操作試驗(yàn)，設(shè)置苛刻的工況條件，進(jìn)一步驗(yàn)證其安全性。

4 結(jié)束語

垂直進(jìn)艙工裝借助于艙外總裝平臺和起重機(jī)械較好地實(shí)現(xiàn)了操作人員進(jìn)艙進(jìn)行總裝操作。未來的載人航天發(fā)展，對密封艙內(nèi)總裝將提出更高的要求，隨著垂直進(jìn)艙工裝功能的不斷拓展，其應(yīng)用也會更為廣泛，將成為航天器總裝過程中的典型平臺，并為減少艙體吊裝、翻轉(zhuǎn)等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，甚至為優(yōu)化總裝工藝流程提供選擇。

（References）

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