載人飛船有效載荷搭載技術(shù)及試驗(yàn)驗(yàn)證

韓 彬，游 進(jìn)，劉 萍

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

隨著載人航天事業(yè)的快速發(fā)展，利用載人飛船搭載有效載荷進(jìn)行空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求越來(lái)越迫切，逐漸成為一項(xiàng)重要的載人航天飛行任務(wù)[1-3]。迄今為止，載人飛船作為天地往返運(yùn)輸?shù)奈ㄒ挥行Чぞ?，其有效載荷的搭載能力對(duì)于提高飛行任務(wù)的效費(fèi)比至關(guān)重要。

以往飛船返回艙搭載的物品，大部分不需要由飛船進(jìn)行供電、溫濕度控制，而且物品的體積小、質(zhì)量少，因此返回艙能夠提供足夠的安放空間?！吧裰郯颂?hào)”飛船首次執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)，需要搭載3臺(tái)有效載荷設(shè)備進(jìn)行空間生命科學(xué)試驗(yàn)，無(wú)論是體積還是質(zhì)量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以往的搭載物品，并且對(duì)安裝的力學(xué)、熱學(xué)環(huán)境要求嚴(yán)格。成功完成“神舟八號(hào)”飛船與“天空一號(hào)”目標(biāo)飛行器的交會(huì)對(duì)接任務(wù)是本次飛行任務(wù)的主目標(biāo)，而空間生命科學(xué)試驗(yàn)作為一項(xiàng)重要任務(wù)必須服從于主目標(biāo)，不允許因空間生命科學(xué)試驗(yàn)給整個(gè)交會(huì)對(duì)接任務(wù)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)飛船搭載的有效載荷的安全可靠性提出更高要求。因此，安放空間以及有效載荷與飛船各接口的可靠性是有效載荷搭載方案設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題。本文針對(duì)返回艙具體情況提出了有效載荷設(shè)備搭載安裝方案，并對(duì)方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 有效載荷設(shè)備搭載安裝方案設(shè)計(jì)

返回艙內(nèi)可用于設(shè)備安裝的區(qū)域有側(cè)壁區(qū)、大底區(qū)和座椅區(qū)。由于側(cè)壁區(qū)不能提供合適的設(shè)備安裝接口，大底區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速拆裝，故不考慮側(cè)壁區(qū)和大底區(qū)作為有效載荷的安放空間。座椅區(qū)基本滿足有效載荷的搭載安放要求，因此可選擇其作為有效載荷安放區(qū)域。

1.1 有效載荷搭載安裝方案設(shè)計(jì)的相關(guān)要求

1）有效載荷搭載安裝方案應(yīng)保證各有效載荷設(shè)備拆裝方便，其靜態(tài)/動(dòng)態(tài)包絡(luò)不應(yīng)與艙內(nèi)其他設(shè)備發(fā)生干涉，滿足設(shè)備的熱學(xué)環(huán)境要求；

2）改裝后的返回艙座椅和配重措施均應(yīng)滿足返回艙質(zhì)量特性的要求；

3）改裝后的座椅和有效載荷與飛船的各接口應(yīng)滿足振動(dòng)試驗(yàn)的力學(xué)環(huán)境要求，確保各接口連接的可靠性。

1.2 有效載荷設(shè)備艙內(nèi)安裝方案設(shè)計(jì)

根據(jù)返回艙內(nèi)布局（如圖1(a)所示）及以往搭載方案，座椅區(qū)有效載荷設(shè)備安放方案有兩種。第一種是采用飛船早期方案，即在第II象限位置安裝有效載荷支架。此方案雖可行，但會(huì)導(dǎo)致返回艙質(zhì)心與飛船標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（返回艙按3個(gè)航天員座椅進(jìn)行布局）的質(zhì)心偏差過(guò)大，必須在返回艙底部通過(guò)增加配重來(lái)調(diào)整質(zhì)心，對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)影響較大。第二種方案是對(duì)航天員座椅進(jìn)行改裝，即在其上設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)接支架，1臺(tái)有效載荷設(shè)備安放在轉(zhuǎn)接支架上方，另2臺(tái)有效載荷設(shè)備倒掛在轉(zhuǎn)接支架下方，該方案的艙內(nèi)布局如圖1(b)所示。由于此方案沒(méi)有改變3個(gè)座椅布局，并且座椅采用可膠接賦形鉛板，較容易實(shí)現(xiàn)座椅-有效載荷設(shè)備的質(zhì)量特性與座椅-假人系統(tǒng)一致，從而可確保對(duì)整船質(zhì)量特性的影響最小。另外，在支架前部和后部設(shè)計(jì)合適的開(kāi)口，可滿足有效載荷設(shè)備的散熱要求，支架前部開(kāi)口還可作為電纜插拔操作口。

經(jīng)過(guò)比較，決定采用第二種方案。航天員座椅與有效載荷設(shè)備的安裝如圖2所示。

圖1 飛船返回艙座椅布局Fig.1 Configuration of astronaut seats in the recoverable module

圖 2 有效載荷設(shè)備在座椅上安裝示意圖Fig.2 Installation of the payload on the astronaut seat

1.3 有效載荷設(shè)備靜態(tài)/動(dòng)態(tài)外包絡(luò)分析

在返回過(guò)程中航天員座椅需要提升操作，而安裝在轉(zhuǎn)接支架上方的有效載荷設(shè)備外形尺寸較大，必須確保設(shè)備在座椅正常狀態(tài)及提升狀態(tài)下，即其靜態(tài)/動(dòng)態(tài)外包絡(luò)不應(yīng)與艙壁及艙內(nèi)其他設(shè)備發(fā)生干涉，倒掛在轉(zhuǎn)接支架下面的2臺(tái)有效載荷設(shè)備的靜態(tài)外包絡(luò)必須與座椅底部留有安全距離。

對(duì)安裝在轉(zhuǎn)接支架之上的有效載荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)外包絡(luò)分析時(shí)，由于安裝環(huán)境較復(fù)雜，其動(dòng)態(tài)包絡(luò)不便數(shù)字模擬，故采取在飛船艙內(nèi)進(jìn)行實(shí)物模擬裝配的方式，以確保設(shè)備在航天員座椅正常狀態(tài)和提升狀態(tài)下均不與側(cè)壁及艙內(nèi)其他設(shè)備發(fā)生干涉。

對(duì)倒掛在轉(zhuǎn)接支架之下的2臺(tái)有效載荷設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)外包絡(luò)分析時(shí)，建立1∶1的航天員座椅三維數(shù)字模型，并在三維模型上對(duì)這2臺(tái)設(shè)備進(jìn)行模擬裝配，以確保設(shè)備安裝到位后不與座椅底部發(fā)生干涉。三維模型裝配靜態(tài)包絡(luò)如圖3所示，虛框部分為倒掛的有效載荷設(shè)備靜態(tài)外包絡(luò)。

圖3 包絡(luò)分析的三維模型Fig.3 Three dimensional model for the contour analysis

1.4 座椅組件改裝及配重

通過(guò)三維數(shù)字模擬及艙內(nèi)實(shí)物試裝驗(yàn)證了有效載荷設(shè)備安裝方案的可行性。為實(shí)現(xiàn)該方案，需對(duì)座椅組件進(jìn)行改裝。正常狀態(tài)下，載荷可通過(guò)賦形墊均勻加載到座椅上。由座椅的結(jié)構(gòu)可知，其兩側(cè)的上緣條端頭均有鋼制承力件支撐，中部有3條加強(qiáng)筋支撐，故轉(zhuǎn)接支架的設(shè)計(jì)可按照賦形墊傳遞載荷的方式，將有效載荷設(shè)備的重量通過(guò)轉(zhuǎn)接支架均勻地施加到兩側(cè)的上緣條上。

正常狀態(tài)下，航天員座椅內(nèi)安裝了假人和賦形墊，假人的重量通過(guò)賦形墊均勻地施加到座椅內(nèi)的鋁蒙皮上；并且由于假人臥在座椅內(nèi)，整個(gè)座椅-假人系統(tǒng)的質(zhì)心較低。按照有效載荷搭載安裝方案，安裝在轉(zhuǎn)接支架之上的有效載荷設(shè)備質(zhì)量較大，使得座椅-有效載荷的質(zhì)心較高。為消除因座椅改裝對(duì)整艙質(zhì)心的影響，需將改裝后座椅組件（含支架和有效載荷設(shè)備）按照標(biāo)準(zhǔn)座椅組件（含賦形墊和假人）狀態(tài)進(jìn)行配重。

因此，采用在座椅椅盆、椅背內(nèi)側(cè)粘貼賦形鉛板的方式，確保座椅蒙皮承受的依然為均布載荷。通過(guò)配重實(shí)施，座椅-有效載荷的質(zhì)心被成功地控制在正常范圍內(nèi)。

2 改裝后座椅的振動(dòng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證改裝后座椅及轉(zhuǎn)接支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并獲取有效載荷設(shè)備力學(xué)環(huán)境條件，進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)。

將座椅與有效載荷設(shè)備安裝至試驗(yàn)工裝上，如圖4所示。振動(dòng)采用三點(diǎn)平均控制，控制點(diǎn)在座椅和工裝對(duì)接面[4-7]。

圖 4 座椅系統(tǒng)與工裝的連接Fig.4 The connection between the seat system and the test installation

2.1 振動(dòng)輸入控制點(diǎn)、響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布局與加載條件

在試驗(yàn)工裝的頭部、上底面中部和腳部分別布置3個(gè)振動(dòng)輸入控制點(diǎn)，在有效載荷設(shè)備及轉(zhuǎn)接支架上布置6個(gè)（即A01～A06）測(cè)點(diǎn)。振動(dòng)輸入控制點(diǎn)及響應(yīng)測(cè)點(diǎn)的布置如圖5所示。

圖 5 試驗(yàn)工裝上的振動(dòng)輸入點(diǎn)及試驗(yàn)件響應(yīng)測(cè)點(diǎn)的布置圖Fig.5 Locations of vibration control points in the test installation and the response measuring points in the test piece

試驗(yàn)時(shí)，首先在3個(gè)方向上進(jìn)行驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)，然后再在3個(gè)方向上進(jìn)行鑒定級(jí)試驗(yàn)。各個(gè)方向上，先進(jìn)行正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)，然后進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。x方向上進(jìn)行的驗(yàn)收級(jí)正弦掃描和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的加速度加載曲線如圖6所示[8-9]。

圖 6 x向驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)中的加速度加載曲線Fig.6 The acceleration loading curve in the x direction acceptance test

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)轉(zhuǎn)接支架面板上的A01～A04測(cè)點(diǎn)測(cè)得的加速度響應(yīng)，可計(jì)算出這些響應(yīng)測(cè)點(diǎn)對(duì)輸入控制加速度的幅值放大倍數(shù)，A01測(cè)點(diǎn)在3個(gè)方向驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)中，其與加載方向相對(duì)應(yīng)的加速度響應(yīng)與輸入控制加速度的比值如圖7所示。

圖 7 A01測(cè)點(diǎn)在加載方向上的響應(yīng)加速度與輸入加速度之比Fig.7 Ratio of acceleration response to input acceleration at the measuring point A01 in the loading direction

由圖7可見(jiàn)，試驗(yàn)件在3個(gè)方向上的一階頻率分別為x向24.9 Hz、y向25.9 Hz和z向77.8 Hz。另外，圖中還反映出，有效載荷設(shè)備在頻率較高的頻段上，其響應(yīng)幅值小于基座激勵(lì)的加速度幅值。

表1列出了A01～A06測(cè)點(diǎn)在正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)中的最大響應(yīng)加速度幅值及其對(duì)應(yīng)的頻率。由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，對(duì)于大部分測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，它們的驗(yàn)收級(jí)和鑒定級(jí)試驗(yàn)的最大加速度響應(yīng)所對(duì)應(yīng)的頻率比較接近。驗(yàn)收級(jí)和鑒定級(jí)試驗(yàn)中響應(yīng)最大的測(cè)點(diǎn)為：x向是A05X；y向是A05Y；z向?yàn)锳05Z。另外，從表中還可見(jiàn)，A06測(cè)點(diǎn)在3個(gè)方向上的響應(yīng)量級(jí)與A05比較接近。A05和A06測(cè)點(diǎn)粘貼在其中1臺(tái)倒掛設(shè)備的左右兩側(cè)。因此，該有效載荷設(shè)備相對(duì)于轉(zhuǎn)接支架的其他測(cè)點(diǎn)部位承受最為嚴(yán)厲的動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

表 1 A01～A06各測(cè)點(diǎn)正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)中的最大加速度響應(yīng)及對(duì)應(yīng)的頻率Table 1 Maximum acceleration responses and their frequencies for points A01～A06 in the sine scan vibration test

表2為A01～A06測(cè)點(diǎn)在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中的加速度均方根響應(yīng)。驗(yàn)收級(jí)和鑒定級(jí)試驗(yàn)中響應(yīng)最大的測(cè)點(diǎn)為：x向?yàn)锳06X；y向?yàn)锳05Y；z向?yàn)锳05Z。這與正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果大體一致。

表 2 A01～A06各測(cè)點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的加速度均方根（RMS）響應(yīng)Table 2 RMS responses of acceleration for points A01～A06 in the random vibration test

續(xù)表2

2.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)

所有試驗(yàn)完成后，座椅及其支架與有效載荷均未出現(xiàn)裂紋和其他異常，這些結(jié)構(gòu)通過(guò)了強(qiáng)度考核，座椅緩沖機(jī)構(gòu)各項(xiàng)功能正常，3臺(tái)有效載荷設(shè)備的力學(xué)環(huán)境條件均滿足指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

在參考以往飛船返回艙有效載荷設(shè)備搭載方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合返回艙實(shí)際布局及有效載荷設(shè)備情況，對(duì)“神舟八號(hào)”飛船的有效載荷搭載安裝方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本方案很好地解決了此次搭載任務(wù)所遇到的問(wèn)題，滿足了有效載荷搭載任務(wù)所提出的相關(guān)要求。本方案的成功實(shí)施可為后續(xù)飛船搭載任務(wù)提供借鑒。

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