載人航天器艙外在軌維修維護(hù)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

魏傳鋒，李興乾,2，呂 寧，張 偉

（1.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，南京 210016）

0 引言

空間站是有人居住的長期在軌運(yùn)行的航天器，壽命要求一般在10年以上?！岸Y炮7號(hào)”空間站預(yù)定在軌壽命4～5年，最終實(shí)際在軌工作壽命達(dá)8年之久。“和平號(hào)”空間站是世界上第一個(gè)長久性空間站，設(shè)計(jì)壽命5年，但是通過維修維護(hù)實(shí)際在軌運(yùn)行了15年。國際空間站首個(gè)艙段于1998年發(fā)射，原設(shè)計(jì)壽命15年，目前已確定延壽至2024年。國外空間站實(shí)際工作壽命的實(shí)現(xiàn)，離不開在軌維修維護(hù)技術(shù)的成功應(yīng)用[1]。在后勤資源有保障的條件下，通過維修維護(hù)可實(shí)現(xiàn)空間站長期在軌運(yùn)行，并在此基礎(chǔ)上開展進(jìn)一步的延壽工作?！昂推教?hào)”空間站為延長在軌運(yùn)行時(shí)間，站上航天員75%的工作時(shí)間用于空間站設(shè)備的在軌維修維護(hù)。國際空間站自在軌運(yùn)行以來，航天員日常40%的時(shí)間用于開展各類維修維護(hù)工作，截至2016年9月，已完成384次出艙活動(dòng)執(zhí)行空間站艙外設(shè)備的維修維護(hù)。國際空間站組裝建造期間（2006年—2010年）接收運(yùn)送的維修備件總質(zhì)量達(dá)32 t，其中艙內(nèi)備件12 t，艙外備件20 t，占在軌運(yùn)行期間物資運(yùn)送總量的8%。組裝完成后（2011年—2015年），共接收運(yùn)送維修備件39 t，其中艙外備件約22 t，艙內(nèi)備件約17 t，占物資運(yùn)送總量的21%。從國外空間站的建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，進(jìn)行在軌維修維護(hù)是保證空間站長期在軌運(yùn)行的必要手段，艙外維修維護(hù)作業(yè)在所有已完成的維修維護(hù)工作中占有很大的比重[2]。

而要保證空間環(huán)境[3]下完成在軌維修維護(hù)任務(wù)，需要從維修驗(yàn)證需求出發(fā)，確定地面驗(yàn)證的任務(wù)與功能，建立一套艙外在軌維修維護(hù)地面驗(yàn)證平臺(tái)，在地面開展大量的試驗(yàn)驗(yàn)證[4-6]。

1 地面驗(yàn)證需求分析

載人航天器艙外設(shè)備工作在真空環(huán)境中，真空環(huán)境下某些材料會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)、升華，造成材料組分的變化、有機(jī)物的膨脹，進(jìn)而改變材料原有的力、熱等物理性能和電性能，從而導(dǎo)致機(jī)電類設(shè)備發(fā)生黏著和冷焊效應(yīng)，造成旋轉(zhuǎn)部件的磨損、粘連和卡死；航天器在冷黑環(huán)境中運(yùn)行，受到周期性的太陽輻照，使艙外設(shè)備的溫度發(fā)生冷熱交變，也會(huì)導(dǎo)致材料熱脹冷縮致出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡滯；航天員在開展艙外維修操作時(shí)，需穿著艙外航天服，且艙外航天服手套存在內(nèi)外壓差，航天員的可視性、可達(dá)性、可操作性均會(huì)受到制約影響。惡劣的維修條件以及航天服約束給艙外維修活動(dòng)帶來很大困難，而艙外活動(dòng)直接關(guān)乎航天員生命安全。同時(shí)由于空間碎片、高真空、高低溫交變、艙外設(shè)備工作對(duì)環(huán)境的影響等因素，難免會(huì)在出艙活動(dòng)中出現(xiàn)突發(fā)情況，對(duì)航天員安全和出艙任務(wù)的完成帶來致命的影響。因此，有必要針對(duì)空間環(huán)境下的艙外維修操作在地面建立一套驗(yàn)證系統(tǒng)，同步進(jìn)行在軌操作驗(yàn)證，并在發(fā)生意外情況時(shí)能快速響應(yīng)，支持后續(xù)出艙活動(dòng)方案的決策。

航天員執(zhí)行艙外維修任務(wù)時(shí)的主要步驟如下：

1）航天員攜帶維修工具出艙；

2）機(jī)械臂將航天員運(yùn)送至維修工作區(qū)域；

3）航天員對(duì)待維修設(shè)備進(jìn)行維修或更換；

4）確認(rèn)維修操作有效后，航天員返回艙內(nèi)。

目前廣泛使用水槽[7]和仿真手段[8-12]對(duì)上述工作項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證，缺少空間環(huán)境模擬設(shè)備和航天員操作模擬設(shè)備驗(yàn)證手段。為驗(yàn)證真空、冷黑環(huán)境下，機(jī)、電、液接口的拆裝性能，同時(shí)更真實(shí)模擬航天員艙外維修穿著艙外航天服受到航天服面窗的視線阻擋，以及手套內(nèi)外壓差對(duì)航天員操作關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、操作精度的影響，需要研制航天器艙外維修維護(hù)地面驗(yàn)證平臺(tái)，為艙外產(chǎn)品提供真空、冷黑試驗(yàn)環(huán)境，為航天員精細(xì)維修操作提供驗(yàn)證條件，也可為應(yīng)對(duì)后續(xù)在軌突發(fā)故障提供地面同步支持。

2 地面驗(yàn)證平臺(tái)任務(wù)和功能分配

為支持載人航天器艙外維修驗(yàn)證，同時(shí)滿足快速響應(yīng)要求，驗(yàn)證系統(tǒng)需要集成維修操作相關(guān)的多環(huán)境因素，與不同環(huán)境單獨(dú)模擬（如真空模擬、著服進(jìn)水槽）相比，驗(yàn)證準(zhǔn)備時(shí)間應(yīng)能大幅縮短；同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)應(yīng)具有豐富的靈活性，能覆蓋載人航天器大體量艙外維修設(shè)備涉及的各類機(jī)、電、液接口。

地面環(huán)境模擬系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下：

1）模擬艙外真空、冷黑環(huán)境：為驗(yàn)證艙外設(shè)備耐受真空環(huán)境的維修性設(shè)計(jì)和在真空環(huán)境下的維修操作能力，使用待維修設(shè)備或試驗(yàn)件在真空罐中開展熱真空試驗(yàn)。

2）模擬航天員著艙外航天服后的操作。

3）模擬航天員和維修設(shè)備間的相對(duì)位置關(guān)系：在軌維修艙外設(shè)備時(shí)，航天員固定在機(jī)械臂或艙體表面進(jìn)行維修操作，需在地面模擬在軌實(shí)際操作位置，驗(yàn)證設(shè)備操作是否可行。地面試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，維修操作口相對(duì)于模擬設(shè)備難以移動(dòng)，需通過伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)待維修設(shè)備運(yùn)動(dòng)，使得待維修設(shè)備相對(duì)于人的操作位置與在軌維修狀態(tài)一致。

4）維修過程測(cè)量需求，包括操作力測(cè)試、維修過程攝像記錄。

3 地面驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)組成

通過需求分析可知，載人航天器艙外在軌維修維護(hù)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)以及配套復(fù)雜，研制技術(shù)難度大。該平臺(tái)由真空模擬子系統(tǒng)、冷黑環(huán)境模擬子系統(tǒng)、熱模擬子系統(tǒng)、照明模擬子系統(tǒng)、相對(duì)位置模擬伺服子系統(tǒng)、艙外操作手套子系統(tǒng)、試驗(yàn)支持子系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 在軌維修地面驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)組成Fig.1 System configuration of ground test bed for validation of extra-vehicle repairing and maintenance

4 地面驗(yàn)證平臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 真空模擬子系統(tǒng)

真空模擬子系統(tǒng)由粗抽機(jī)組和高真空機(jī)組組成。其除了維持容器內(nèi)真空環(huán)境外，還需要提供航天員手套在地面模擬在軌維修操作試驗(yàn)時(shí)手套的充壓環(huán)境，以模擬手套在軌維修操作時(shí)的內(nèi)外壓差。程序控制中設(shè)置壓力自動(dòng)控制程序，控制流程如圖2所示。

4.2 冷黑環(huán)境模擬子系統(tǒng)

熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一般都隨真空容器的結(jié)構(gòu)形式而定。本平臺(tái)真空容器采用臥式圓柱體，故熱沉也為同樣的形式。整個(gè)熱沉分成筒體、封頭、大門和去污冷屏等部分，每部分熱沉都由主管、支管、散熱翅片、支撐架和輻射屏等組成，相互構(gòu)成整體。

圖2 真空模擬子系統(tǒng)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制流程Fig.2 Flowchart of automatic control on vacuum simulation subsystem

4.3 熱模擬子系統(tǒng)

熱模擬子系統(tǒng)采用紅外加熱籠進(jìn)行模擬，由程控電源供電。配備有溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)，具有手動(dòng)控制和程序控制等工作方式，滿足試驗(yàn)過程中熱環(huán)境的測(cè)量和控制需求。

4.4 照明模擬子系統(tǒng)

為對(duì)容器內(nèi)部進(jìn)行照明，保證觀察清晰，照明模擬子系統(tǒng)配置了適合真空低溫環(huán)境的專用光源，位于設(shè)備頂部，角度可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，確保工作區(qū)域照明均勻分布且無死角，保證容器內(nèi)操作面光照度滿足需求。

4.5 相對(duì)位置模擬伺服子系統(tǒng)

子系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由移動(dòng)支架車、機(jī)架、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及平移機(jī)構(gòu)等部分組成，以滿足真空低溫環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)與平移運(yùn)動(dòng)功能要求。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)升降機(jī)與試件支撐座組成，平移機(jī)構(gòu)由移動(dòng)電機(jī)、連接螺母座滑動(dòng)導(dǎo)軌等組成。

4.6 艙外操作手套子系統(tǒng)

艙外操作手套子系統(tǒng)需要模擬在空間艙外維修中航天服手套的狀態(tài)：手套有一定的壓力適應(yīng)性和密封性，但是又要保持靈活性，確保維修狀態(tài)正常。手套通過專用法蘭接口與真空罐體連接，供操作人員伸入真空艙內(nèi)的工作臺(tái)面，進(jìn)行空間維修模擬操作試驗(yàn)，其典型操作試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 在軌維修維護(hù)地面試驗(yàn)平臺(tái)典型操作試驗(yàn)Fig.3 Typical operation for manned spacecraft extracurricular repairing and maintenance test bed

4.7 試驗(yàn)支持子系統(tǒng)

試驗(yàn)支持子系統(tǒng)包括真空容器，監(jiān)控與攝像，微量污染物監(jiān)測(cè)等功能單元。

真空容器部分是本系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)部分，它為各種操作提供有效環(huán)境試驗(yàn)空間，同時(shí)也是真空獲得系統(tǒng)、熱沉及液氮外流程和試驗(yàn)測(cè)控等各部分匯集的中心。

監(jiān)視與攝像單元主要用于試驗(yàn)過程中對(duì)真空容器內(nèi)試件及試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視，它具有視野廣、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和使用靈活方便等特點(diǎn)，尤其對(duì)艙內(nèi)操作界面可以多角度監(jiān)控。

微量污染物原位監(jiān)測(cè)單元采用石英晶體微量天平，由控制器和多個(gè)微量天平探頭組成。

5 結(jié)束語

本文從航天器艙外維修驗(yàn)證平臺(tái)的需求分析，任務(wù)和功能分配，系統(tǒng)組成，詳細(xì)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面系統(tǒng)闡述了平臺(tái)的設(shè)計(jì)，包括真空模擬子系統(tǒng)、冷黑環(huán)境模擬子系統(tǒng)、熱模擬子系統(tǒng)、照明模擬子系統(tǒng)、相對(duì)位置模擬伺服子系統(tǒng)、艙外操作手套子系統(tǒng)、試驗(yàn)支持子系統(tǒng)等部分。通過集成測(cè)試表明，該平臺(tái)保證了艙外維修維護(hù)作業(yè)的可視可達(dá)，準(zhǔn)確模擬了航天員著艙外航天服后的操作能力，可滿足航天器艙外維修驗(yàn)證需求。