一種空間站餐后垃圾壓縮裝置的研制

秦俊杰，朱景濤，孫啟臣，袁 淼，王 燕，姚 旗，馬 永

（1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

0 引言

隨著載人航天飛行任務(wù)的持續(xù)開(kāi)展，空間站廢棄物的處理問(wèn)題也日漸突出[1]。目前空間站的生活垃圾處理方式為手動(dòng)將廢物收集于容器中，通過(guò)雙腳將其壓實(shí)，該種方式壓縮率低且不方便操作[2-3]。為了減少餐后垃圾的存儲(chǔ)體積，研制了適用于空間站的餐后垃圾壓縮裝置。

根據(jù)餐后垃圾的壓縮特性及隨機(jī)裝載特點(diǎn)開(kāi)展了摸底壓縮試驗(yàn)，為垃圾壓縮裝置輸出壓縮力值確定及壓縮率指標(biāo)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。由于垃圾壓縮裝置在軌頻繁使用，需對(duì)垃圾壓縮裝置進(jìn)行長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，并通過(guò)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的工作壽命。本文主要論述垃圾壓縮裝置研制工作。

1 垃圾特性分析

1.1 垃圾類(lèi)型

航天員在空間站駐留期間會(huì)產(chǎn)生餐后垃圾，餐后垃圾主要包括金屬罐、軟包裝袋、清潔紙巾和少量殘余食品等。其中金屬罐為主要餐后垃圾，且該材料具有較高的強(qiáng)度、剛度及表面硬度。餐后垃圾的狀態(tài)為隨機(jī)裝載。

1.2 垃圾壓縮試驗(yàn)

為了確定壓縮裝置的輸出力載，需要對(duì)壓縮對(duì)象的壓縮特性進(jìn)行摸底試驗(yàn)。

在所有被壓縮垃圾中，金屬罐為主要且強(qiáng)度剛度最大的垃圾，通過(guò)壓縮試驗(yàn)確定壓縮率與壓縮力的關(guān)系作為裝置輸出力載設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

試驗(yàn)采用CSS-1110壓力機(jī)，最大壓力為10t，將自制壓頭與壓力機(jī)連接，金屬罐裝載至垃圾收集袋中并放置于模擬壓縮腔中，通過(guò)聯(lián)機(jī)電腦可直接獲得壓縮力與壓縮位移的關(guān)系曲線，為了清晰反映壓縮力與壓縮率的關(guān)系，壓縮腔采用透明有機(jī)玻璃制作。試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示。

通過(guò)開(kāi)展大樣本量的壓縮試驗(yàn)，得到壓縮力與壓縮率關(guān)系如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，壓縮力隨著壓縮率的增大而增大。壓縮進(jìn)程前期，壓縮率變化明顯，壓縮力增長(zhǎng)緩慢，壓縮進(jìn)程后期，壓縮力隨著壓縮率的增加而大幅增大。

圖1 壓縮試驗(yàn)工裝Fig.1 Tooling of compression test

圖2 壓縮率與壓縮力關(guān)系Fig.2 Relationship of compression ratio and compressive force

2 垃圾壓縮裝置設(shè)計(jì)

2.1 壓縮裝置技術(shù)參數(shù)

垃圾壓縮裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下：壓縮裝置有效容積≮6L，垃圾體積壓縮率≮50%[4]，壓縮操作力≯50N，復(fù)位操作力≯25N，使用壽命≮10000次。

2.2 壓縮裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

垃圾壓縮裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。操作手柄模塊由加載手柄組件及復(fù)位手柄組件等組成，位于整個(gè)裝置外側(cè)面，為壓縮裝置提供動(dòng)力源。傳動(dòng)模塊由錐齒輪副及滾珠絲杠組件等組成，位于整個(gè)裝置內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。壓縮模塊由壓縮活塞組件、門(mén)組件及壓縮腔等組成，位于整個(gè)裝置的一端，實(shí)現(xiàn)餐后垃圾的收納及壓縮。操作手柄模塊內(nèi)部含有棘輪裝置，可實(shí)現(xiàn)手柄的往復(fù)操作。壓縮模塊中壓縮活塞、壓縮腔及門(mén)組件形成密閉空間，可防止餐后垃圾壓縮過(guò)程中溢出。

圖3 垃圾壓縮裝置整體構(gòu)型圖Fig.3 Configuration diagram of trash compactor device

2.3 壓縮裝置工作原理

垃圾壓縮裝置主要包括操作手柄模塊、傳動(dòng)模塊和壓縮模塊三部分。

操作手柄模塊為加載操作及復(fù)位操作提供動(dòng)力源，手柄加載操作時(shí)，操作手柄驅(qū)動(dòng)棘輪回轉(zhuǎn)，將扭矩傳遞至傳動(dòng)模塊；手柄回位操作時(shí)，棘輪位置被鎖定；復(fù)位操作時(shí)，將棘輪裝置解鎖，通過(guò)復(fù)位手柄組件將扭矩傳遞至傳動(dòng)模塊。

傳動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)力與運(yùn)動(dòng)的傳遞，錐齒輪副與棘輪固定連接，通過(guò)棘輪將扭矩傳遞至滾珠絲杠組件，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成滾珠螺母的直線移動(dòng)[5]。

壓縮模塊實(shí)現(xiàn)餐后垃圾的收納與壓縮，壓縮活塞組件與滾珠螺母固定連接，滾珠螺母的直線移動(dòng)使壓縮活塞對(duì)壓縮腔內(nèi)的垃圾產(chǎn)生壓縮位移，同時(shí)滾珠絲杠的扭矩轉(zhuǎn)換成壓縮活塞對(duì)垃圾的壓縮力。壓縮裝置工作原理如圖4所示。

圖4 垃圾壓縮裝置工作原理Fig.4 Working principle diagram of trash compactor device

2.4 壓縮裝置工作模式

垃圾壓縮裝置為有人在軌使用產(chǎn)品，乘員入軌后解除活動(dòng)部件束縛機(jī)構(gòu)，使用垃圾壓縮裝置進(jìn)行垃圾壓縮處理。

垃圾壓縮裝置使用頻率為一天一次，每日用餐完畢后，乘員使用垃圾壓縮裝置對(duì)當(dāng)日收集完垃圾的收集袋進(jìn)行壓縮，每次壓縮一個(gè)收集袋，壓縮前乘員手動(dòng)將收集袋放置到壓縮裝置內(nèi)，壓縮完畢后手動(dòng)取出被壓縮的收集袋。垃圾處理完畢后對(duì)垃圾壓縮裝置進(jìn)行清潔處理。

垃圾壓縮裝置在艙內(nèi)的工作模式如表1所示。

垃圾壓縮裝置各階段狀態(tài)見(jiàn)圖5所示。

表1 垃圾壓縮裝置工作模式Tab.1 Work pattern of trash compactor device

3 試驗(yàn)情況

基于上述分析，制作了垃圾壓縮裝置原理樣機(jī)，并進(jìn)行了功能性能試驗(yàn)，如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖5 垃圾壓縮裝置工作模式示意圖Fig.5 The work pattern schematic diagram of trash compactor device

圖6 垃圾壓縮裝置原理樣機(jī)試驗(yàn)Fig.6 Test of trash compactor device prototype

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.2 Test result

4 結(jié)論

本文研制了一種適用于空間站的餐后垃圾壓縮裝置。壓縮裝置具有大增力比、良好人機(jī)交互性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、長(zhǎng)壽命要求及輕量化要求高的特點(diǎn)。通過(guò)摸底試驗(yàn)掌握金屬罐的壓縮特性，獲得壓縮力與壓縮率之間的關(guān)系。針對(duì)該種垃圾特性制定壓縮裝置的輸出力載指標(biāo)，設(shè)計(jì)手動(dòng)垃圾壓縮裝置方案，建立力學(xué)分析模型，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)原理樣機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于金屬罐材料特性，所提出的垃圾壓縮裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)合理，其原理樣機(jī)能夠滿足功能需求。

[1]The design and fabrication of a prototype trash compacting unit，Technical report，April 1，1973.

[2]Gregory S.Pace，John Fisher."Development of the Plastic Melt Waste Compactor-Desian and Fabrication of the Half-Scale Prototype"，2005.

[3]Pace，Gregory S.，Lance Delzeit and John Fisher （2009），“Testing of a Plastic Melt Waste Compactor Designed for Human Space Exploration Missions，” SAE Paper No.2009-01-2363，39th International Conference on Environmental Systems，July 2009.

[4]Shuttle trash compactor to serve as extended duration flight treasure，Space News Roundup，March 16，1990.

[5]蒲明輝，孫青，等.物料壓縮實(shí)驗(yàn)裝置的研制[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011，14.