基于臨近空間載人飛行器的艙門設(shè)計(jì)

袁肖肖，肖開陽，吳 劍

（1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112）

1 引言

臨近空間載人飛行器是在臨近空間（20～100 km）［1］區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)載人往返飛行并完成偵查通訊、攻擊預(yù)警和商業(yè)旅游等特定任務(wù)的飛行器［2］。艙門系統(tǒng)作為載人飛行器的重要模塊，是整個(gè)飛行器艙體最大的開口，對(duì)載人飛行器整體結(jié)構(gòu)的完整性、安全性和可靠性有著直接影響；同時(shí)艙門是飛行器乘員直接操作的機(jī)構(gòu)，其操作的舒適性和可靠性直接影響對(duì)載人飛行器人機(jī)工效的評(píng)判［3］。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)應(yīng)用的空間飛行器類艙門主要有三大類：第一類用于在空天環(huán)境內(nèi)飛行的無人飛行器，此類空天飛行器因?yàn)闊o需載人，僅用于偵查通訊、攻擊預(yù)警等功能，飛行器艙門功能偏向于設(shè)備操作窗口，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及設(shè)備儀器等載荷更換的便捷性，對(duì)艙門的密封性、人機(jī)功效性以及可靠性均無太高要求，無法滿足載人飛行的需要。此類空天無人飛行器主要代表有超高空飛艇、太陽能升力艇以及無人機(jī)等。第二類用于在大氣層內(nèi)飛行的載人飛行器，主要包括各種民航客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等，該類飛行器艙門成熟度均較高，種類繁多，優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)使用次數(shù)多，具有較多的飛行經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化，但此類艙門主體材料大多數(shù)采用鋁合金，結(jié)構(gòu)及內(nèi)部機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，使得艙門質(zhì)量大、維護(hù)費(fèi)用較高，同時(shí)其設(shè)計(jì)的適航飛行高度通常在10 km以下，難以適用臨近空間載人飛行的需要。第三類用于在海拔200～350 km的空間飛行的載人航天器，該類空間飛行器代表為神舟飛船返回艙及軌道艙艙門，由于載人航天器均為一次性使用，首要目標(biāo)是為了保證航天員的安全性，在設(shè)計(jì)時(shí)，艙門主要考慮在有限次數(shù)使用條件下，具備較高的可靠性和安全性，因此使得艙門質(zhì)量大、密封件更換困難，密封要求較高，無法多次重復(fù)適用，其制造、測(cè)試成本均較高，無法滿足臨近空間常規(guī)化載人飛行使用的要求。

為了解決現(xiàn)有的飛行器艙門無法適用于在臨近空間進(jìn)行載人往返飛行的問題，本文提出一種艙門設(shè)計(jì)，應(yīng)用于在臨近空間內(nèi)進(jìn)行某商業(yè)載人飛行的低動(dòng)態(tài)飛行器［4］，以滿足其人機(jī)工效學(xué)較好、質(zhì)量輕、操作便捷、密封件更換方便、重復(fù)使用次數(shù)高等設(shè)計(jì)要求。

2 艙門工作指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的艙門相關(guān)工作指標(biāo)見表1。

表1 工作指標(biāo)Table 1 Working indices

表1中工作高度、艙內(nèi)及艙外環(huán)境溫度等指標(biāo)參數(shù)繼承艙門所屬飛行器系統(tǒng)總體要求；艙門承內(nèi)、外壓能力指標(biāo)應(yīng)不小于整器飛行過程中的內(nèi)外壓差，基于整器系統(tǒng)飛行任務(wù)剖面分析，艙門承受內(nèi)壓范圍為0.08～0.1 MPa，承受外壓范圍為0～0.02 MPa；艙門過載承受能力指標(biāo)取決于整器最大過載工況，基于整器結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，整器著陸時(shí)艙門受到最大過載為3g；艙門密封漏率和重量指標(biāo)，基于整器自身特點(diǎn)和飛行任務(wù)要求，由系統(tǒng)總體進(jìn)行漏率和重量指標(biāo)分配；艙門維修性要求來源于艙門的長(zhǎng)壽命和可重復(fù)使用要求，本文艙門所屬飛行器屬于商業(yè)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)品，基于可靠性和經(jīng)濟(jì)性綜合權(quán)衡，要求艙門可維修更換零件比例不低于70%。

3 艙門設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的艙門類型為非堵塞式艙門（該類艙門詳見文獻(xiàn)［5］），采用上下平移式開啟方式，艙門在飛行器上的位置示意見圖1，艙門產(chǎn)品外觀見圖2。艙門由五個(gè)模塊組成：1）主承力結(jié)構(gòu)，主要包含門框和門體，為艙門主體結(jié)構(gòu)，承擔(dān)艙門系統(tǒng)中受到的主要載荷；主承力結(jié)構(gòu)為整個(gè)艙門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，其余艙門的組成模塊均集成在主承力結(jié)構(gòu)中，為艙門系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一序列。2）開合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)艙門系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉；開合結(jié)構(gòu)需要連接門框和門體，設(shè)計(jì)序列位于主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后；3）壓緊鎖閉機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)艙門系統(tǒng)密封件壓緊、機(jī)構(gòu)鎖閉和載荷傳遞；壓緊鎖閉機(jī)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)位于門體內(nèi)部，基于優(yōu)化機(jī)構(gòu)布局需要，需要在門體初步設(shè)計(jì)方案完成后進(jìn)行設(shè)計(jì)；4）密封結(jié)構(gòu)，保證艙門在鎖閉狀態(tài)時(shí)的密封性；密封結(jié)構(gòu)的密封作用基于壓緊鎖閉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)序列位于壓緊鎖閉機(jī)構(gòu)之前；5）電子輔助模塊，用于艙門狀態(tài)指示和提醒；電子輔助模塊設(shè)計(jì)基于以上所有艙門組成模塊的結(jié)構(gòu)布局和機(jī)構(gòu)功能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)序列位于末位。

3.1 主承力結(jié)構(gòu)

主承力結(jié)構(gòu)為整個(gè)艙門系統(tǒng)的主要承力對(duì)象，由門體主結(jié)構(gòu)和門框主結(jié)構(gòu)組成，其中門體是艙門系統(tǒng)中主要運(yùn)動(dòng)部件之一。主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于剛度、強(qiáng)度、疲勞、可靠性等設(shè)計(jì)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上還需要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，為整個(gè)飛行器省出載荷重量。

3.1.1 材料選擇

圖1 艙門位置Fig．1 Location of Hatch door

圖2 艙門Fig．2 Hatch door

目前大多數(shù)國(guó)內(nèi)民航運(yùn)輸機(jī)及載人飛行器的艙門主體材料采用鋁合金加工而成，其中用的較多的是2000系列和7000系列鋁合金［6-7］。但鋁合金材料自身的強(qiáng)度和密度等固有屬性，決定了僅依賴鋁合金結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)艙門結(jié)構(gòu)較大幅度減重。

復(fù)合材料相對(duì)于金屬材料具有比強(qiáng)度、比剛度大，結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、重量輕，且抗腐蝕和抗疲勞性能良好的特點(diǎn)，國(guó)外已有采用復(fù)合材料對(duì)艙門主結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的研究，其中典型的應(yīng)用實(shí)例為A250XWB登機(jī)艙門，其重量比金屬艙門減重約30%［8］。綜合考慮復(fù)合材料加工工藝及成本，艙門主承力結(jié)構(gòu)采用T700環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行一體成型設(shè)計(jì)。3.1.2 門框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

門框主體結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)、中、外三層結(jié)構(gòu)組成：1）內(nèi)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為與艙體內(nèi)壁擬合的變厚度圓錐曲面，用于和艙體內(nèi)壁配合安裝，同時(shí)用于艙壁開口處的加強(qiáng)；2）外層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為與艙體外壁擬合的復(fù)合構(gòu)造結(jié)構(gòu)的圓錐曲面，用于與門體的密封副進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)門體和門框之間的密封；3）中層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為梯形桶段，一方面用于連接內(nèi)層和外層兩個(gè)曲面結(jié)構(gòu)，保證門框整體強(qiáng)度和剛度，另一方面作為艙體內(nèi)外人員進(jìn)出的通道。門框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 門框結(jié)構(gòu)Fig．3 Structure of doorframe

本文設(shè)計(jì)的門框結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原則和技術(shù)特點(diǎn)如下：1）門框裝配在艙體的大開孔上，在保證自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)艙體開口位置的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)；2）門框上的安裝面曲率形狀，高度擬合艙內(nèi)壁開口處的安裝曲面，設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)安裝曲面重合，為后續(xù)的門框和艙壁之間的密封提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；3）門框是人員進(jìn)出的通道，門框通道的有效空間截面滿足機(jī)組人員和乘客的自由進(jìn)出需求，開口大小為497 mm，大于5%的亞洲女性的肩寬（即尺寸為390 mm）［9-10］；4）門框外部結(jié)構(gòu)整體曲面與飛行器艙體外部的整流防護(hù)板外包絡(luò)曲面高度擬合，保證了飛行器整體的空氣動(dòng)力學(xué)要求以及形體美觀性要求。

與傳統(tǒng)鋁合金門框相比，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合材料門框主體結(jié)構(gòu)采用整體一體化成型加工工藝，無法一體成型的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，采用膠結(jié)方式避免鉚接和螺接帶來的密封性不可靠性問題，另外門框的纖維鋪層方案采用遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)（采用遺傳算法，細(xì)節(jié)詳見文獻(xiàn)［11-12］）。結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算時(shí)以門檻內(nèi)層結(jié)構(gòu)外沿固支點(diǎn)作為邊界條件，以工作極限載荷（考慮2.5倍安全系數(shù)）為輸入條件，并基于纖維結(jié)構(gòu)不發(fā)生失效為判定條件，通過仿真迭代對(duì)結(jié)構(gòu)剛度較弱處進(jìn)行增厚補(bǔ)強(qiáng)，并降低對(duì)結(jié)構(gòu)載荷變化不敏感處的總纖維層厚度，即門框壁厚采用變厚度設(shè)計(jì)（最大厚度設(shè)計(jì)為8 mm，最小厚度為4 mm），實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)剛度趨于一致，在不增加總重量的前提下，提高門框結(jié)構(gòu)重量的有效利用率。

3.1.3 門體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

門體主體結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)、外兩層結(jié)構(gòu)組成：1）外層結(jié)構(gòu)是與門框外層結(jié)構(gòu)以及艙體整流防護(hù)板擬合的變厚度圓錐曲面，作為門體的基體結(jié)構(gòu)，用于安裝艙門密封結(jié)構(gòu)、外部推拉把手和承力；2）內(nèi)層結(jié)構(gòu)是與門框梯形桶段進(jìn)行間隙配合的堵塞結(jié)構(gòu)，由梯形桶段結(jié)構(gòu)和縱橫加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)組成，用于保證門體主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)該結(jié)構(gòu)自身圍成的內(nèi)部區(qū)域，用于安裝艙門鎖閉、開合機(jī)構(gòu)以及電子輔助硬件設(shè)備。門體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 門體結(jié)構(gòu)Fig．4 Structure of door

本文設(shè)計(jì)的門體結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原則和技術(shù)特點(diǎn)如下：1）門體上裝配密封結(jié)構(gòu)的密封曲面與門框上的配合曲面高度擬合，以保證密封副的密封性能；2）門體外部結(jié)構(gòu)整體曲面，同時(shí)與飛行器艙體外部的整流防護(hù)板曲面以及門框外層結(jié)構(gòu)曲面擬合，以保證飛行器整艙的空氣動(dòng)力學(xué)要求以及形體美觀性要求；3）在艙門關(guān)閉狀態(tài)，門體處于門框內(nèi)的堵塞結(jié)構(gòu)外包絡(luò)，在門框內(nèi)層結(jié)構(gòu)的曲面包絡(luò)內(nèi)，以節(jié)省飛行器艙內(nèi)空間，避免門體結(jié)構(gòu)妨礙艙內(nèi)人員活動(dòng)；4）門體外置的推拉把手安裝處設(shè)計(jì)成內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，使得推拉把手內(nèi)嵌在門體結(jié)構(gòu)內(nèi)（見圖2），一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)門體局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的加強(qiáng)，另一方面使艙門的整體美觀性得到提升；5）門體內(nèi)部的縱橫加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在保證整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度的前提下優(yōu)化空間布局，為門體內(nèi)部的鎖閉、開合結(jié)構(gòu)以及電子輔助硬件設(shè)備預(yù)留裝配空間。

與傳統(tǒng)鋁合金門體結(jié)構(gòu)相比，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合材料門體主體結(jié)構(gòu)同樣采用整體一體化加工成型，門體的纖維鋪層方案亦采用遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)（計(jì)算細(xì)節(jié)詳見文獻(xiàn)［11-12］），并結(jié)合門體內(nèi)部的縱橫加強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸和布局方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)（計(jì)算細(xì)節(jié)詳見文獻(xiàn)［13-15］），算得門體整體最大厚度為8 mm，最小厚度為5 mm，同樣實(shí)現(xiàn)門體壁厚的變厚度設(shè)計(jì)，最終優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)最小剛度提高了50%，總重量降低了30%，并在縱橫加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板之間預(yù)留了較大的設(shè)備安裝空間（見圖4）。

3.2 開合機(jī)構(gòu)

3.2.1 開合機(jī)構(gòu)組成及功能

開合機(jī)構(gòu)為艙門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，一端固定在門框上，一端固定在門體上，用于實(shí)現(xiàn)艙門的打開和關(guān)閉運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的開合機(jī)構(gòu)為雙重助力、上下平移外開式開合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)艙門向外開啟（見圖2），開合機(jī)構(gòu)主要由支持機(jī)架、主旋臂、副旋臂、輔助旋臂、主助力器以及副助力器共6個(gè)模塊組成，圖5。

圖5 開合機(jī)構(gòu)Fig．5 Switching mechanism

開合機(jī)構(gòu)一般原理可以簡(jiǎn)化為一個(gè)雙曲柄鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)［16］，由機(jī)架、主動(dòng)桿、從動(dòng)桿以及連桿組成。其中兩個(gè)曲柄設(shè)計(jì)成兩個(gè)等長(zhǎng)的長(zhǎng)桿，分別對(duì)應(yīng)開合機(jī)構(gòu)的主、副旋臂和輔助旋臂；機(jī)架和連桿設(shè)計(jì)成兩個(gè)等長(zhǎng)的短桿，分別對(duì)應(yīng)開合機(jī)構(gòu)的支持機(jī)架和門體。在開合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿將始終保持平行于機(jī)架，即實(shí)現(xiàn)門體密封面在開合運(yùn)動(dòng)過程中，始終保持與門框的密封面平行。通過設(shè)計(jì)計(jì)算，艙門完全開合的整個(gè)軌跡旋轉(zhuǎn)角度約為133.8°。

本文設(shè)計(jì)的開合機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原則和技術(shù)特點(diǎn)如下：1）開合機(jī)構(gòu)采用空間四連桿機(jī)構(gòu)原理，實(shí)現(xiàn)艙門平穩(wěn)的向外平移式開啟，不占用艙內(nèi)空間；2）主、副旋臂桿和輔助旋臂桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成C字形狀，一方面提高了旋臂桿的剛度，另一方面使得旋臂桿的運(yùn)動(dòng)軌跡避開門框上沿結(jié)構(gòu)，避免轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與門框干涉；3）主、副旋臂桿設(shè)計(jì)成兩個(gè)并聯(lián)桿，互為冗余，兩桿之間通過三道角鋼連接，增加結(jié)構(gòu)剛度和開合結(jié)構(gòu)的安全性；4）開合機(jī)構(gòu)的力學(xué)關(guān)系設(shè)計(jì)基于人機(jī)工效學(xué)，采用互為冗余的助力器，開合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行程滿足助力器阻尼行程要求，實(shí)現(xiàn)艙門開啟助力和運(yùn)動(dòng)末端阻尼功能。

3.2.2 開合機(jī)構(gòu)力學(xué)關(guān)系校核

為實(shí)現(xiàn)艙門正常開啟和關(guān)閉過程，需要對(duì)開合機(jī)構(gòu)與配套助力器之間的力矩耦合關(guān)系進(jìn)行校核。依據(jù)開合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)全程的力矩耦合方式，力矩關(guān)系應(yīng)滿足的原則、校核方法及結(jié)果如下：

1）艙門完全打開狀態(tài)時(shí)，助力器力矩（67.62 N·m）大于門體及附屬機(jī)構(gòu)的自重力矩（59.66 N·m），以維持艙門開啟狀態(tài)；

2）艙門完全關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，助力器力矩（45.53 N·m）小于門體及附屬機(jī)構(gòu)的自重力矩（48.43 N·m），可實(shí)現(xiàn)在艙門打開保險(xiǎn)并解鎖后，自動(dòng)與門框密封面分離；

3）艙門打開過程中，助力器力矩（169.24 N·m）大于門體及附屬機(jī)構(gòu)的最大自重力矩（108.32 N·m），避免助力器無法輔助艙門完全打開到位。

4）依據(jù)人機(jī)工效學(xué)原理，艙門關(guān)閉過程中，操作人員需要對(duì)門體施加的最大加載力（112.4 N），應(yīng)不大于5%的亞洲女性可施加的最大載荷力（160 N）［17］。

3.3 鎖閉機(jī)構(gòu)

3.3.1 鎖閉機(jī)構(gòu)組成及功能

本文設(shè)計(jì)的鎖閉機(jī)構(gòu)為八點(diǎn)壓緊式鎖閉機(jī)構(gòu)，是保證艙門密封可靠性的重要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。由驅(qū)動(dòng)手柄、保險(xiǎn)手柄（保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)）、驅(qū)動(dòng)箱、驅(qū)動(dòng)軸、傳動(dòng)軸、萬向軸、連接桿、曲柄壓桿、導(dǎo)向壓桿、馬蹄座、鎖閉座以及平衡閥等組成，見圖6。

圖6 鎖閉機(jī)構(gòu)Fig．6 Locking mechanism

八點(diǎn)壓緊式鎖閉機(jī)構(gòu)為綜合齒輪傳動(dòng)和多連桿傳動(dòng)原理的復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（該機(jī)構(gòu)詳見文獻(xiàn)［16］），可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)艙門密封副的八點(diǎn)壓緊。驅(qū)動(dòng)關(guān)系見圖7，主要功能包括：密封件八點(diǎn)壓緊功能、艙門鎖閂功能、艙內(nèi)外壓力平衡功能、內(nèi)外雙重操作功能。

圖7 驅(qū)動(dòng)關(guān)系Fig．7 Driving relation

1）八點(diǎn)壓緊功能

壓緊鎖閉機(jī)構(gòu)的八點(diǎn)壓緊功能實(shí)現(xiàn)原理及方式如下（見圖6和圖7）：（1）驅(qū)動(dòng)手柄采用杠桿原理，作為第一級(jí)省力機(jī)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)置一級(jí)圓柱齒輪系，作為第二級(jí)省力機(jī)構(gòu)。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手柄，兩級(jí)省力機(jī)構(gòu)把增強(qiáng)后的驅(qū)動(dòng)力，通過上下兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，分別傳遞到1＃傳動(dòng)軸和2＃傳動(dòng)軸上。（3）每個(gè)傳動(dòng)軸上均有4個(gè)驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)點(diǎn)，其中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)點(diǎn)通過萬向軸傳遞到兩個(gè)曲柄壓桿上，另外兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)點(diǎn)通過連接桿傳遞到兩個(gè)導(dǎo)向壓桿上；1＃傳動(dòng)軸和2＃傳動(dòng)軸共形成8個(gè)力源輸出點(diǎn)，分別由1＃～4＃曲柄壓桿和1?！?＃導(dǎo)向壓桿實(shí)現(xiàn)。（4）1?！?＃曲柄壓桿與門框上的馬蹄座配合運(yùn)動(dòng)，作為主壓緊機(jī)構(gòu)把門體和門框密封面之間的密封件壓緊，形成艙門密封副左右位置的四個(gè)壓緊點(diǎn)；同時(shí)1＃～4＃導(dǎo)向壓桿與門框上的鎖閉座配合運(yùn)動(dòng)，作為輔助壓緊機(jī)構(gòu)，形成艙門密封副上下位置的四個(gè)壓緊點(diǎn)。

2）鎖閂功能

本文設(shè)計(jì)的鎖閉機(jī)構(gòu)在艙門密封件壓緊后，具備雙重鎖閂能力，以保證艙門密封狀態(tài)不松動(dòng)：第一重鎖閂功能，通過鎖閉機(jī)構(gòu)中與曲柄轉(zhuǎn)軸配合運(yùn)動(dòng)的四個(gè)馬蹄座實(shí)現(xiàn)，每個(gè)馬蹄座中加工出具備自鎖功能的導(dǎo)向滑槽，當(dāng)1?！?＃曲柄壓桿壓入馬蹄座的導(dǎo)向滑槽后，曲柄壓桿必須施加比滑入滑槽時(shí)較高的驅(qū)動(dòng)力，才可滑出導(dǎo)向滑槽。第二重鎖閂功能，通過驅(qū)動(dòng)箱上的保險(xiǎn)手柄來實(shí)現(xiàn)（見圖6），原理為通過轉(zhuǎn)動(dòng)保險(xiǎn)手柄，驅(qū)動(dòng)手柄后方的止動(dòng)器與鎖閉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)的齒輪系卡合，限制齒輪系發(fā)生相互轉(zhuǎn)動(dòng)，避免因振動(dòng)或其它意外原因造成的鎖閉機(jī)構(gòu)解鎖。

3）壓力平衡功能

鎖閉機(jī)構(gòu)的第三個(gè)功能，可實(shí)現(xiàn)艙門內(nèi)外壓力的平衡。在鎖閉機(jī)構(gòu)模塊中，集成了艙門平衡閥（見圖6），該平衡閥與艙門鎖閉機(jī)構(gòu)的其它功能相互獨(dú)立。在艙門打開前，若艙門內(nèi)外存在壓差，可通過打開平衡閥平衡艙門內(nèi)外壓差，實(shí)現(xiàn)艙門順利開啟；同時(shí)，平衡閥也承擔(dān)安全閥的功能，在艙內(nèi)壓力出現(xiàn)急劇升高時(shí)，可配合整艙的安全泄壓系統(tǒng)，對(duì)艙內(nèi)壓力進(jìn)行泄壓。

4）內(nèi)外雙重操作功能

本文設(shè)計(jì)的八點(diǎn)壓緊鎖閉機(jī)構(gòu)，要求具備艙內(nèi)艙外均可操作的功能，即壓緊鎖閉機(jī)構(gòu)上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在艙門外側(cè)均設(shè)有預(yù)留的操作接口，通過專用工裝在門外同樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)艙門的鎖閉和解鎖，完成艙門的打開和關(guān)閉操作。

本文設(shè)計(jì)的八點(diǎn)壓緊鎖閉機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原則和技術(shù)特點(diǎn)如下：1）通過設(shè)計(jì)兩級(jí)省力機(jī)構(gòu)，提供滿足人機(jī)工效學(xué)的壓緊驅(qū)動(dòng)力；2）同步驅(qū)動(dòng)八點(diǎn)壓緊機(jī)構(gòu)，確保艙門密封件壓緊到位、均勻、可靠；3）通過壓緊機(jī)構(gòu)終端的被動(dòng)自鎖和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的主動(dòng)自鎖等雙重鎖閂功能，實(shí)現(xiàn)艙門關(guān)閉可靠；4）內(nèi)置集成的雙向平衡閥，以實(shí)現(xiàn)艙門開啟前平衡內(nèi)外壓力，以及飛行過程中的艙內(nèi)緊急泄壓功能；5）艙門內(nèi)外均設(shè)有操作接口，以在艙內(nèi)、艙外均可進(jìn)行壓緊、鎖閉的操作。

3.3.2 鎖閉機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及靜力學(xué)校核

1）利用動(dòng)力學(xué)仿真方法，以機(jī)構(gòu)各種軸端摩擦力（摩擦系數(shù)為0.04～0.1）、艙門密封帶壓縮力（類比其它艙門累計(jì)的類似密封實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，艙門密封帶壓縮力范圍為1200～2000 N）為已知參數(shù)，分別以連桿傳動(dòng)比、齒輪傳動(dòng)比以及驅(qū)動(dòng)手柄驅(qū)動(dòng)力臂為變量，對(duì)鎖閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化迭代設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，在鎖閉機(jī)構(gòu)開關(guān)時(shí)，人員施加在驅(qū)動(dòng)手柄上的載荷力范圍約為103～147 N，以滿足其人機(jī)工效學(xué)要求（不超過160 N［17］）。

2）按照靜力學(xué)仿真方法，以優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鎖閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)系為已知條件，在驅(qū)動(dòng)手柄施加極限載荷時(shí)（在最大驅(qū)動(dòng)手柄力147 N基礎(chǔ)上，考慮2.5倍安全系數(shù)），對(duì)鎖閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪副、曲柄壓桿、導(dǎo)向壓桿、傳動(dòng)軸等主要受力部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，均未發(fā)生失效。

3）利用等效剛度法［18］，在艙門承受極限內(nèi)壓時(shí)（在最大內(nèi)壓0.1 MPa基礎(chǔ)上，考慮2.5倍安全系數(shù)），通過靜力學(xué)仿真，對(duì)鎖閉機(jī)構(gòu)主要承受載荷的連桿剛度進(jìn)行分析，得到鎖閉機(jī)構(gòu)多個(gè)壓緊組件的累計(jì)最大變形量為0.87 mm，在密封件壓縮量的允差范圍內(nèi)（經(jīng)驗(yàn)值，－1～1 mm），保證了艙門密封的安全性。

3.4 密封結(jié)構(gòu)

艙門密封結(jié)構(gòu)是保證整個(gè)飛行器艙體密封的重要部件，也是艙門設(shè)計(jì)的重要輸入條件，直接關(guān)系機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局。艙門密封結(jié)構(gòu)主要為門體和門框之間的密封。

門體和門框之間的密封結(jié)構(gòu)，由門體外沿密封件安裝面、門框外層結(jié)構(gòu)密封面以及密封帶組成，其中密封帶安裝在門體外沿安裝面上，是實(shí)現(xiàn)艙門密封的關(guān)鍵件。本文設(shè)計(jì)的密封帶為三齒空心管異形密封帶，整體壓縮量為4 mm，材料采用一種局部能夠發(fā)生大變形的高彈性橡膠材料（參數(shù)詳見文獻(xiàn)［19］），其外形截面如圖8所示。

圖8 密封帶Fig．8 Sealing strip

三齒空心管異形密封帶結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)如下：1）帶形尾部，為門體固定部，用于和門體密封面固定，帶形尾部被固定壓緊，以實(shí)現(xiàn)密封帶和門體之間的密封；2）帶形尾部采用帶有螺釘?shù)膲喊鍖?shí)現(xiàn)與門體之間的固定壓緊，通過拆除螺栓和壓板，方便實(shí)現(xiàn)密封帶的更換；3）異形頭部，為門體與門框之間的密封部，外層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為帶有三個(gè)密封齒的異形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為D形中空結(jié)構(gòu)。當(dāng)門體上的密封帶被壓縮時(shí)，異形頭部上的三個(gè)密封齒與門框密封面接觸，發(fā)生局部變形，形成三處密封；4）為避免齒部變形過大，造成三個(gè)密封齒之間的變形干涉，異形頭部?jī)?nèi)部設(shè)計(jì)成D形中空結(jié)構(gòu)。通過有限元仿真計(jì)算，對(duì)D形中空尺寸大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在三個(gè)密封齒發(fā)生相互變形干涉之前，使得異形頭部整體發(fā)生變形，來補(bǔ)償密封齒剩余變形量；5）在異形頭部上布置若干小孔，實(shí)現(xiàn)頭部中空空間壓力與艙內(nèi)壓力聯(lián)通，飛行器飛行時(shí)，使得密封帶頭部通過艙內(nèi)外壓差進(jìn)一步保證密封帶密封可靠。

3.5 電子輔助

電子輔助系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器艙門狀態(tài)的告警與指示，可預(yù)防和提前發(fā)現(xiàn)艙門故障，是飛行器艙內(nèi)中央計(jì)算機(jī)和地面飛控計(jì)算機(jī)信號(hào)采集的重要源頭之一。其硬件由位置傳感器、LED指示燈以及數(shù)據(jù)和供電總線組成。其中位置傳感器采用電渦流接近式位置傳感器。在測(cè)量位移范圍內(nèi)（幾毫米到幾十毫米），會(huì)發(fā)生感抗的變化，從而將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電感量輸出［20］。艙門信號(hào)傳遞關(guān)系見圖9。

圖9 電子輔助系統(tǒng)Fig．9 Electronic assistant system

艙門電子輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含以下功能：1）艙門打開狀態(tài)指示：當(dāng)艙門完全打開時(shí)，LED指示燈亮并發(fā)出艙門打開信號(hào)；2）艙門密封帶壓緊到位指示，當(dāng)鎖閉機(jī)構(gòu)把密封帶壓入到壓縮量允許范圍內(nèi)時(shí)，LED指示燈亮并發(fā)出艙門密封正常信號(hào)；3）鎖閂保險(xiǎn)開關(guān)狀態(tài)指示：保險(xiǎn)手輪打開，鎖閂已上鎖時(shí)，LED指示燈亮并發(fā)出艙門已鎖閉信號(hào)；4）平衡閥開關(guān)狀態(tài)指示：平衡閥打開時(shí)，艙門內(nèi)外氣體處于聯(lián)通狀態(tài)時(shí)，LED指示燈亮并發(fā)出平衡閥已打開信號(hào)。以上信號(hào)通過數(shù)據(jù)總線，分別發(fā)送給飛行器艙內(nèi)中央計(jì)算機(jī)和地面飛控計(jì)算機(jī)。

4 試驗(yàn)項(xiàng)目及驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的艙門試驗(yàn)項(xiàng)目包括艙門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)功能驗(yàn)證、艙門密封性能驗(yàn)證、艙門機(jī)構(gòu)磨合以及隨飛行器整艙進(jìn)行著陸過載和整艙密封性能試驗(yàn)等方面。具體試驗(yàn)項(xiàng)目及流程見圖10。

圖10 試驗(yàn)流程Fig．10 Test procedure

1）艙門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)功能驗(yàn)證

該試驗(yàn)用于驗(yàn)證艙門開合機(jī)構(gòu)和鎖閉機(jī)構(gòu)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動(dòng)功能。在艙門交付前共有兩次試驗(yàn)，在著陸過載試驗(yàn)前后各一次（見圖10）。試驗(yàn)內(nèi)容包含艙內(nèi)操作方式和艙外操作方式驗(yàn)證，完成從關(guān)閉并鎖閉艙門，再到解鎖并打開艙門的所有動(dòng)作。艙內(nèi)操縱時(shí)，驅(qū)動(dòng)手柄操縱力經(jīng)過測(cè)量在110～140 N之間；艙外操作時(shí)，使用艙外開啟工裝時(shí)的操縱力約為80～100 N。均滿足160 N的人機(jī)工效學(xué)要求［17］。

2）艙門密封性能試驗(yàn)

艙門密封性能試驗(yàn)，用于驗(yàn)證整個(gè)艙門系統(tǒng)漏率是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。共有二次試驗(yàn)，在艙門模塊裝艙前后各一次。裝艙前艙門密封性能試驗(yàn)共有兩項(xiàng)測(cè)試：艙門內(nèi)壓氣密性試驗(yàn)和外壓氣密性試驗(yàn)，檢漏時(shí)需要裝配到專用氣密工裝上（見圖11），采用容積法進(jìn)行漏率檢測(cè)，內(nèi)壓氣密試驗(yàn)和外壓氣密試驗(yàn)單獨(dú)進(jìn)行，試驗(yàn)壓力按照最大工作指標(biāo)要求，分別為0.1 MPa和0.02 MPa，漏率結(jié)果最大值為2.7 ×10－3Pa·m3／s，均滿足不大于1×10－2Pa·m3／s的工作漏率指標(biāo)要求。 艙門裝艙后隨整個(gè)飛行器進(jìn)行整艙檢漏試驗(yàn)，漏率滿足整艙漏率要求。

圖11 艙門檢漏Fig．11 Leak-test of hatch door

3）艙門電子輔助功能驗(yàn)證

用于驗(yàn)證艙門位置傳感器功能是否正常。試驗(yàn)分兩個(gè)步驟進(jìn)行：1）設(shè)置艙門處于產(chǎn)生位置信號(hào)的狀態(tài)，通過地面信號(hào)測(cè)試儀，觀察負(fù)責(zé)該艙門狀態(tài)的位置傳感器均發(fā)送正確的艙門狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)艙門上指示該狀態(tài)的LED燈點(diǎn)亮；2）設(shè)置艙門處于未產(chǎn)生位置信號(hào)的狀態(tài)，通過地面信號(hào)測(cè)試儀，觀察負(fù)責(zé)該艙門狀態(tài)的位置傳感器均未發(fā)送此時(shí)艙門狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)艙門上指示該狀態(tài)的LED燈未點(diǎn)亮。試驗(yàn)結(jié)果表明艙門位置傳感器功能正常。

4）其它測(cè)試

在艙門裝艙前，為了保證艙門開合機(jī)構(gòu)和鎖閉機(jī)構(gòu)動(dòng)作流暢無卡滯，還需要重復(fù)進(jìn)行若干次開合和鎖閉動(dòng)作，進(jìn)行艙門機(jī)構(gòu)動(dòng)作磨合，使得艙門機(jī)構(gòu)中的銷軸、傳動(dòng)軸、軸套等配合面相互磨合；在艙門裝艙后，還隨飛行器整艙一起進(jìn)行著陸過載試驗(yàn)，以驗(yàn)證艙門的抗過載能力，在過載試驗(yàn)后，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，艙門密封性能及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)功能正常；最后，隨整艙一起完成電性能測(cè)試后，艙門具備上天飛行狀態(tài)。

5 結(jié)論

研制應(yīng)用于在臨近空間區(qū)域進(jìn)行載人往返飛行的低動(dòng)態(tài)飛行器艙門，該艙門具備以下特點(diǎn)：

1）艙門主承力主體結(jié)構(gòu)全部采用碳纖維復(fù)合材料，通過一體成形設(shè)計(jì)技術(shù)和加工制造方法，解決了整體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度問題，并有效地降低艙門重量，實(shí)現(xiàn)了艙門主承力結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)；

2）設(shè)計(jì)的具備較高人機(jī)工效學(xué)的助力式開合機(jī)構(gòu)，采用空間雙曲柄機(jī)構(gòu)原理和冗余助力技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了艙門外開平移式穩(wěn)定開啟和關(guān)閉，具備開啟過程助力、開啟末端阻尼的功能；

3）等效剛度法對(duì)八點(diǎn)壓緊鎖閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使艙門實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)壓緊、主動(dòng)和被動(dòng)雙重鎖定、艙內(nèi)外壓力平衡、艙內(nèi)艙外均可操作的功能；

4）設(shè)計(jì)的新型三齒空心管異形密封帶，采用活連接固定和中空自充壓技術(shù)，解決了密封件多次更換難題，實(shí)現(xiàn)了艙門與門框之間的密封可靠性，以及密封帶更換的操作便易性。

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