載人航天在軌維修艙外電動(dòng)工具的發(fā)展與思考(上)

傅 浩，于 洋，王 哲，武婷婷

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 哈爾濱150001； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京100094)

1 引言

低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)運(yùn)行著空間站、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等航天器，空間站與空間望遠(yuǎn)鏡是其中2 種典型的大型航天器。 目前，世界范圍內(nèi)共實(shí)施了14 次空間站建設(shè)任務(wù)，受空間多因素環(huán)境影響，所有長(zhǎng)期運(yùn)行的空間站任務(wù)均開展了不同程度的在軌維修與維護(hù)工作。天空實(shí)驗(yàn)室(Skylab)、禮炮7 號(hào)空間站(Salyut 7 Space Station)在軌期間均進(jìn)行過(guò)在軌維修；和平號(hào)空間站(MIR Space Station)在軌15 年期間出現(xiàn)了多達(dá)1500 余次故障，經(jīng)過(guò)100 余位航天員的在軌維修和維護(hù)才實(shí)現(xiàn)其超期服役；哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope，HST)在1993年至2009 年間共經(jīng)歷了5 次維修任務(wù)，維修或更換了大量的設(shè)備。 國(guó)際空間站(International Space Station，ISS)絕大多數(shù)艙段均在2010 年之前發(fā)射，目前預(yù)計(jì)退役時(shí)間為2024 年。 HST 與ISS 在部署與運(yùn)行期間針對(duì)性地開發(fā)了專用維修工具，使在軌維修操作更為便捷，均實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)的在軌安全運(yùn)行。

航天員在軌更換設(shè)備時(shí)，存在大量的螺釘拆裝作業(yè)，且對(duì)螺釘?shù)牟鹧b力矩均有要求。 在穿戴航天服及手套后，航天員對(duì)力矩感知不再敏感，且拆裝動(dòng)作較為遲緩。 采用手動(dòng)扳手操作既無(wú)法保證拆裝力矩，也難以在短時(shí)間內(nèi)完成拆裝任務(wù)。為了提高拆裝螺釘?shù)谋憬菪?，?jié)省航天員體能，更精準(zhǔn)地控制拆裝力矩和記錄在軌操作數(shù)據(jù)，應(yīng)用艙外電動(dòng)工具開展在軌維修受到相關(guān)航天機(jī)構(gòu)的持續(xù)關(guān)注。 NASA 主導(dǎo)為其早期的載人航天任務(wù)以及近期多國(guó)合作的HST 與ISS 的部署和維修任務(wù)研制了一系列艙外電動(dòng)工具。 但既要應(yīng)對(duì)LEO 的高真空、粒子輻射和極端溫度等空間環(huán)境，又要確保航天員著航天服后安全便捷地使用工具，這些都對(duì)艙外電動(dòng)工具的研制提出了巨大的挑戰(zhàn)。

本文基于國(guó)際上已有的艙外電動(dòng)工具的研究成果，分析早期艙外電動(dòng)工具的特點(diǎn)與存在的不足，并對(duì)HST 和ISS 的艙外電動(dòng)工具的性能與特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，基于現(xiàn)階段艙外電動(dòng)工具的研究進(jìn)展對(duì)中國(guó)空間站開展艙外電動(dòng)工具的研究發(fā)展方向進(jìn)行探討。

2 艙外電動(dòng)工具的起步階段

受載人航天在軌維修的高難度與在軌用可充電電池技術(shù)水平的影響，20 世紀(jì)60 ～80 年代初期，以電池為動(dòng)力的艙外電動(dòng)工具的開發(fā)處于起步和探索階段。

1961 年美國(guó)百得公司(Black＆Decker Corporation)推出了世界上第一款以電池為動(dòng)力的工具，稱作無(wú)繩電動(dòng)工具(Cordless Power Tool)。1963 年起，馬丁˙瑪麗埃塔公司(Martin Marietta Materials Inc)與百得公司為NASA 開發(fā)了空間開孔電鉆、空間電鋸、空間電動(dòng)扳手等早期的空間電動(dòng)工具，其中一款成功應(yīng)用于雙子星座計(jì)劃(Project Gemini) 的零沖擊扳手(Zero-Impact Wrench)，也稱作零反作用力空間電動(dòng)工具(Zero-Reaction Space Power Tool)。 作為第一款應(yīng)用于太空任務(wù)的電動(dòng)工具，拆裝螺釘產(chǎn)生的反力比普通扳手減少了99.97%，確保了航天員在零重力條件下使用時(shí)不被扳手的反力旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。 在雙子星座計(jì)劃任務(wù)期間，NASA 開展了以KC-135 型號(hào)飛機(jī)為代表的EVA 微重力訓(xùn)練，其中包括使用空間電動(dòng)工具進(jìn)行維護(hù)和維修實(shí)驗(yàn)(圖2)。

圖1 零沖擊扳手[17]Fig.1 Zero-reaction space power tool[17]

圖2 航天員在KC-135 中用電動(dòng)工具進(jìn)行維護(hù)維修實(shí)驗(yàn)[18]Fig.2 Astronaut performs a maintenance and repair experiment with a power tool on a KC-135[18]

百得公司與NASA 的戈達(dá)德太空飛行中心(Godard Space Flight Center，GSFC)合作，為阿波羅計(jì)劃(Apollo Program)設(shè)計(jì)了具有獨(dú)立電源的輕巧、緊湊的無(wú)繩電錘鉆(Cordless Rotary Hammer Drill)，該鉆機(jī)采用電池供電的磁力計(jì)系統(tǒng)，使用獨(dú)特的計(jì)算機(jī)程序來(lái)優(yōu)化鉆機(jī)的電機(jī)并確保最小能耗，能夠由航天員手提操作鉆探至地面25.4 cm以下，用于從月球表面提取巖石樣品，并且可以在極端溫度和真空環(huán)境下工作。 無(wú)繩電錘鉆開展地面試驗(yàn)如圖3 所示，零沖擊扳手和無(wú)繩電錘鉆在軌使用前，除了在地面進(jìn)行必要的性能測(cè)試外，還需開展水下試驗(yàn)或飛機(jī)俯沖試驗(yàn)，進(jìn)行模擬失重的使用驗(yàn)證。

在此階段，受限于電池容量、環(huán)境適應(yīng)性和永磁材料價(jià)格等因素，艙外電動(dòng)工具的發(fā)展較為緩慢，但是這一階段開發(fā)的各種工具對(duì)后續(xù)開發(fā)更成熟的艙外電動(dòng)工具起到了重要的借鑒作用。

圖3 無(wú)繩電錘鉆地試驗(yàn)[19]Fig.3 Cordless rotary hammer drill[19]

1984 年，NASA 為太陽(yáng)極大使者探測(cè)器(Solar Maximum Mission，SMM)的在軌維修任務(wù)開發(fā)了一款藍(lán)色電動(dòng)工具，命名為模塊化維修工具(Module Servicing Tool，MST)。 航天員需要用2只手操作MST，驅(qū)動(dòng)加長(zhǎng)桿拆裝螺釘，成功完成了SMM 的維修。 該工具類似于一個(gè)機(jī)電裝置，體積較大，不易攜帶和操作，用途有限，但該工具采用了面向多任務(wù)的模塊化設(shè)計(jì)思想，可根據(jù)不同的任務(wù)目的進(jìn)行修改和更換模塊，為后續(xù)工具的模塊化設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)(圖4)。

圖4 模塊服務(wù)工具[20]Fig.4 Module servicing tool[20]

3 艙外電動(dòng)工具的初步發(fā)展階段

20 世紀(jì)80 年代末至90 年代初是艙外電動(dòng)工具需求的高峰時(shí)期，多個(gè)太空運(yùn)輸系統(tǒng)(Space Transportation System，STS)使用了艙外電動(dòng)工具。這段時(shí)期艙外電動(dòng)工具的應(yīng)用絕大部分圍繞著HST 的部署和維修任務(wù)。 其中比較典型的航天任務(wù)為：1990 年部署哈勃望遠(yuǎn)鏡(STS-31)，1991年部署康普頓伽瑪射線天文臺(tái)(STS-37)，1991 年部署高層大氣研究衛(wèi)星(STS-48)，1992 年修理Intelsat VI 型衛(wèi)星(STS-49)，1993 年哈勃望遠(yuǎn)鏡的第一次維修任務(wù)(The Hubble Servicing Mission 1，SM-1，代號(hào)STS-61)等。 在這段時(shí)間內(nèi)，NASA 在早期空間電動(dòng)工具的基礎(chǔ)上，研制了一批較為實(shí)用的艙外電動(dòng)工具。

艙外電動(dòng)工具按結(jié)構(gòu)形式分為分體式和手槍型2 種類型。 分體式是指工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與電控盒是2 個(gè)獨(dú)立的部分，它們之間通過(guò)1 根電纜相連，電池一般安裝在電控盒內(nèi)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，但攜帶和操作相對(duì)復(fù)雜。 手槍型是指工具的電池、控制器與電機(jī)組件設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更緊湊，使用更便捷，符合人因工程學(xué)要求，是在軌維修工具的主要發(fā)展方向。

3.1 早期的手槍型電動(dòng)工具

在20 世紀(jì)80 年代中后期，約翰遜航天中心(Johnson Space Center，JSC)開發(fā)了一款手槍型艙外電 動(dòng) 工 具(EVA Power Tool)， 工 具 長(zhǎng) 為29.85 cm，高為16.51 cm，主體直徑5.72 cm，配套9.5 mm(3/8 in)的輸出軸接口，用于連接螺絲刀、插座和鉆頭等工具(圖5)。 該工具設(shè)有1 個(gè)高速/低速轉(zhuǎn)換開關(guān)，1 個(gè)4 擋扭矩控制環(huán)，1 個(gè)正向/反向轉(zhuǎn)換開關(guān)，電動(dòng)工具通過(guò)7.2 V 鎘鎳電池組供電，可完成375～450 顆螺釘?shù)牟鹧b。

圖5 艙外活動(dòng)電動(dòng)工具[23]Fig.5 EVA power tool[23]

1993 年哈勃望遠(yuǎn)鏡的第1 次維修任務(wù)SM-1中攜帶了3 種電動(dòng)工具，分別為哈勃艙外電動(dòng)工具(HST EVA Power Tool)、微型電動(dòng)工具(Mini Power Tool)和電動(dòng)棘輪工具(Power Ratchet Tool，PRT)。 其中哈勃艙外電動(dòng)工具是JSC 在艙外活動(dòng)電動(dòng)工具的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一款艙外電動(dòng)工具，專為HST 的部署而開發(fā)(圖6)。 工具長(zhǎng)為30.99 cm，高為17.02 cm，寬度為7.95 cm(含固定卡座)，工具外殼為玻璃纖維Lexan 樹脂外覆光亮鋁基膠帶(Reflective Aluminum Tape)。 工具配套9.5 mm(3/8 in)接口，具有20 r/min 和50 r/min的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能，通過(guò)鋸齒狀調(diào)節(jié)環(huán)可實(shí)現(xiàn)5.65～33.895 Nm(50～300 in-lb)的4 個(gè)擋位調(diào)節(jié)。 電源為7.2 V 鎘鎳電池組，低速模式下，可完成48 個(gè)英制8#細(xì)牙螺釘?shù)牟鹧b，高速模式下可完成44 個(gè)英制1/4 in 細(xì)牙螺釘?shù)牟鹧b。 該工具被廣泛用于STS-31、STS-37、STS-49 以及STS-61 等飛行任務(wù)中的航天器部署、維修等艙外活動(dòng)。 但由于其非金屬的Lexan 樹脂外殼或其他可靠性設(shè)計(jì)上的原因，該工具在STS-61 任務(wù)中被證明可靠性不高，在LEO 空間環(huán)境下易失效。

圖6 哈勃艙外電動(dòng)工具[25]Fig.6 HST EVA power tool[25]

3.2 早期的微型電動(dòng)工具

在20 世紀(jì)80 年代后期至90 年代初期，為解決狹小空間條件下的維修，JSC 開發(fā)了一款微型電動(dòng)工具(Mini Power Tool)。 此電動(dòng)工具在電源關(guān)閉的情況下可用作手動(dòng)工具。 工具長(zhǎng)為27.81 cm，端 部 直 徑 為4.5 cm， 握 柄 直 徑 為3.61 cm(圖7)。 配套9.5 mm(3/8 in)接口，正向/反向旋轉(zhuǎn)，空載速度為170 r/min。 電動(dòng)模式下具有從0.678～1.469 Nm(6～13 in-lb)共分6 個(gè)扭矩調(diào)節(jié)擋位，手動(dòng)最大擰緊扭矩為13.558 Nm(120 in-lb)。 2 段外殼主體采用68°鉸鏈連接，便于手動(dòng)擰緊。 工具的供電為2. 4 V/1. 7 Ah 鎘鎳電池組，并配置30 A 的保險(xiǎn)絲。 該工具在STS-48 飛行任務(wù)中首次使用，并延用在STS-61任務(wù)中。

3.3 電動(dòng)棘輪工具

圖7 微型電動(dòng)工具[23]Fi g.7Minipowertool[23]

HST 的運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)為GSFC，但是在軌維修任務(wù)的執(zhí)行由JSC 承擔(dān)，因此兩者在維修工具的選擇上存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。 GSFC 的Richards 團(tuán)隊(duì)為SM-1 研制了一款無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)棘輪扳手PRT，它是一款分體式的電動(dòng)工具，由3個(gè)部分組成：扳手機(jī)構(gòu)、控制器和電池模塊，扳手機(jī)構(gòu)與控制器之間通過(guò)1 根約為1.83 m(6 ft)長(zhǎng)的電纜相連(圖8)。 工具的棘輪部分長(zhǎng)為43 cm，質(zhì)量為3.62 kg，主結(jié)構(gòu)材料為陽(yáng)極氧化的鈦和鋁。 類似于普通的手動(dòng)棘輪扳手，其操作手柄與輸出軸成直角，配套9.5 mm(3/8 in)接口。 電源為1 組安裝在控制器中的28 V 銀鋅電池，驅(qū)動(dòng)速度為10 ～30 r/min，電動(dòng)模式下輸出力矩在0 ～33.895 Nm(0～25 ft-lb)，手動(dòng)模式下最大力矩為101.69 Nm(75 ft-lb)。

圖8 電動(dòng)棘輪工具[29]Fig.8 Power ratchet tool[29]

該工具通過(guò)模式開關(guān)環(huán)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)/手動(dòng)的切換，電動(dòng)模式下扭矩、轉(zhuǎn)數(shù)和速度的14 種組合編程到控制器中，航天員通過(guò)控制器上的開關(guān)選擇參數(shù)。 為了保護(hù)電池免受低溫環(huán)境的影響，在氣閘艙外，控制器一直保持開機(jī)狀態(tài)。 控制器上的故障指示燈可以指示溫度報(bào)警、電量報(bào)警和電子故障等。

PRT 首次在STS-31 任務(wù)中被帶入太空，此后Richards 等根據(jù)此次的飛行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，選用低速高扭矩?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)，減速器齒輪組由2 個(gè)行星齒輪組和1 個(gè)錐齒輪組組成，齒輪總減速比為75 ∶1，增加了花鍵離合器，以在手動(dòng)模式下分離傳動(dòng)系。 優(yōu)化后的工具在STS-51(1993 年，部署高級(jí)通訊技術(shù)衛(wèi)星，部署IMAX 攝像機(jī)，軌道回收長(zhǎng)距離極限紫外線光譜儀)、STS-61、STS-82(1997 年，哈勃望遠(yuǎn)鏡的第2 次維修任務(wù)，SM-2)和STS-103(1999 年，哈勃望遠(yuǎn)鏡的第3次維修任務(wù)，SM-3)任務(wù)中使用。 其中在執(zhí)行SM-1的STS-61 飛行任務(wù)中，JSC 開發(fā)的電動(dòng)工具因故失效，PRT 表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定可靠，幫助航天員順利完成了維修任務(wù)。

PRT 與同期的哈勃艙外電動(dòng)工具具有顯著的不同。 區(qū)別于哈勃艙外電動(dòng)工具的手槍型外形，PRT 的外形類似一個(gè)大型的棘輪扳手，并通過(guò)外置的電源及控制盒實(shí)現(xiàn)供電與控制。 PRT采用了金屬外殼，而哈勃艙外電動(dòng)工具為非金屬的Lexan 樹脂外殼，在輻射防護(hù)性能上PRT 更勝一籌。 PRT 體積更大，金屬外殼也導(dǎo)致其質(zhì)量增加。 但PRT 采用了成熟的模塊化設(shè)計(jì)，比如獨(dú)立的電源模塊、力矩限制器模塊等，便于優(yōu)化升級(jí)，對(duì)后續(xù)各類艙外電動(dòng)工具的研制具有重要的示范作用。

3.4 其他工具

在同一時(shí)期，NASA 還開發(fā)了3 款備用工具，分別面向高扭矩或者工具智能化等特殊功能。 旋轉(zhuǎn)沖擊電動(dòng)工具(Rotary Impact Power Tool)是一種有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的手槍型電動(dòng)工具，由電動(dòng)工具和旋轉(zhuǎn)沖擊扭矩工具附件組成，作為維修哈勃望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)急工具，可以拆除常規(guī)工具無(wú)法拆除的螺釘。 工具長(zhǎng)為26.62 cm，高為18.52 cm，主體直徑為4.93 cm，配套9.5 mm(3/8 in)接口。最大沖擊扭矩輸出高達(dá)40.675 Nm(360 in-lb)，同時(shí)不會(huì)使緊固件附近的載體結(jié)構(gòu)遭受高沖擊載荷，也不會(huì)將反沖力傳遞到手柄。 電源為1 組7.2 V 鎘鎳電池組，可持續(xù)工作3 ～15 min(圖9)。 這款工具在STS-61 飛行任務(wù)中首次使用，工具的扭矩輸出與續(xù)航能力在很大程度上取決于電池性能，其過(guò)短的持續(xù)工作時(shí)間，使其實(shí)用性大打折扣。

圖9 旋轉(zhuǎn)沖擊電動(dòng)工具[23]Fig.9 Rotary impact power tool[23]

智能電動(dòng)工具(Smart Power Tool)是一種微處理器控制的手槍型電動(dòng)工具， 工具長(zhǎng)為36.83 cm，高為16.51 cm，寬度直徑為6.35 cm(圖10)。 配套9.5 mm(3/8 in)接口，具有1 個(gè)高低速開關(guān)，1 個(gè)正反轉(zhuǎn)開關(guān)，1 個(gè)手動(dòng)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)數(shù)開關(guān)(Manual torque/Torque only/Revolution)和1 個(gè)加減設(shè)定開關(guān)。 扭矩范圍為0.565 ～20.337 Nm(5～180 in-lb)，轉(zhuǎn)數(shù)范圍為0.5 ～125，轉(zhuǎn)速分別是低速20 r/min 和高速60 r/min，電源為7.2 V 鎘鎳電池組。 智能電動(dòng)工具可用于任何需要精確調(diào)節(jié)扭矩、轉(zhuǎn)速或兩者結(jié)合的EVA任務(wù)，支持用戶輸入?yún)?shù)，用戶界面包括2 個(gè)數(shù)字顯示器，分別用于顯示設(shè)定值和實(shí)際值。 該工具側(cè)面配有1 個(gè)反作用臂，需雙手操作來(lái)保持穩(wěn)定，而航天員在EVA 中的大多數(shù)時(shí)刻都難以保證能夠雙手都用來(lái)操作工具，該工具未見(jiàn)在飛行任務(wù)中應(yīng)用，屬于上天產(chǎn)品的替代備選方案之一。

圖10 智能電動(dòng)工具[23]Fig.10 Smart power tool[23]

天空實(shí)驗(yàn)室發(fā)射成功之后，美國(guó)開始致力于建設(shè)一個(gè)永久空間站，名為自由號(hào)空間站(Space Station Freedom，SSF)。 但由于耗資巨大，經(jīng)過(guò)多次修改和調(diào)整，部分殘余項(xiàng)目轉(zhuǎn)入了目前的國(guó)際空間站。 SSF 作為ISS 的前身，在研期間開發(fā)了一款無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高扭矩電動(dòng)工具(High Torque Power Tool)，工具長(zhǎng)為30.48 cm，高為27.94 cm， 寬 為 9.83 cm。 配 套 9.5 mm(3/8 in)接口，具有1 個(gè)高低速開關(guān)，1 個(gè)正反轉(zhuǎn)開關(guān)，轉(zhuǎn)速為10 r/min、20 r/min 和50 r/min 可選，通過(guò)鋸齒形的機(jī)械離合器調(diào)節(jié)環(huán)設(shè)定扭矩?fù)跷?，?.39～34.98 Nm(2.5～25.8 ft-lb)之間共設(shè)8 個(gè)擋位(圖11)。 電機(jī)控制器具有霍爾速度傳感器、欠壓閉鎖、12 A 限流器以及用于保護(hù)工具的過(guò)熱關(guān)機(jī)功能。 電源選用SSF 的公用插座或可充電的28 V 直流鎘鎳電池，直流28 V 時(shí)的功耗為125 W，電池電壓低于直流25 V 時(shí)自動(dòng)報(bào)警。 30%負(fù)載下續(xù)航34 min，100%負(fù)載下續(xù)航2 min。該工具原設(shè)計(jì)用于SSF，后續(xù)被改造為ISS 任務(wù)，但該工具續(xù)航時(shí)間過(guò)短，未見(jiàn)飛行任務(wù)中使用的報(bào)道。 上述相關(guān)電動(dòng)工具具體參數(shù)如表1 所示。

圖11 高扭矩電動(dòng)工具[32]Fig.11 High torque power tool[32]

4 艙外電動(dòng)工具的日趨成熟階段

20 世紀(jì)90 年代中后期至今，載人航天任務(wù)更為頻繁和密集，以HST 的3 次維修任務(wù)以及ISS 的部署與維護(hù)任務(wù)為代表，對(duì)艙外電動(dòng)工具提出了更高的要求，比如較大的扭矩范圍、較高的扭矩精度、較小的體積與質(zhì)量、良好的可靠性與續(xù)航能力等。 在80 年代中后期和90 年代初期這十余年時(shí)間內(nèi)開發(fā)出的各種早期艙外電動(dòng)工具的基礎(chǔ)上，開發(fā)了幾款更為精致的艙外電動(dòng)工具。

4.1 哈勃手槍型電動(dòng)工具

PRT 在SM-1 上的成功使用促使NASA 放棄繼續(xù)升級(jí)JSC 開發(fā)的哈勃艙外電動(dòng)工具，轉(zhuǎn)而由GSFC 的Richards 團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，在PRT 的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種更小、更高效的微處理器控制的手槍型電動(dòng)工具(Pistol Grip Tool，PGT)，以使維修哈勃太空望遠(yuǎn)鏡更加便捷。 PGT 繼承了PRT 的模塊化設(shè)計(jì)思想和控制策略，自重8.2 kg (18 lb)，配套9.5 mm(3/8 in)接口，支持正反轉(zhuǎn)，電動(dòng)/手動(dòng)模式切換。

手動(dòng)模式下類似于無(wú)動(dòng)力棘輪扳手，具有離合器手自動(dòng)分離、棘輪限力矩功能，可承受的最大扭矩為51.521 Nm(38ft-lb)。 電動(dòng)模式下可針對(duì)特定任務(wù)將參數(shù)預(yù)先編程到工具中，扭矩范圍為2.712～33.895 Nm(2 ～25 ft-lb)，轉(zhuǎn) 速 為5 ～60 r/min，轉(zhuǎn)數(shù)為0～99。 LED 顯示屏可顯示施加的扭矩大小、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，以及故障提示。

表1 部署哈勃及第一次維修哈勃的電動(dòng)工具[23]Table 1 Power tools used in deployment and servicing mission 1 of HST[23]

該工具由原Swales Aerospace Inc.公司制造，并在多次航天飛機(jī)任務(wù)中成功對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，并用于HST 第2 ～5 次維修任務(wù)(SM-2、SM-3A、SM-3B、SM-4)。 采用模塊化設(shè)計(jì)的PGT 支持根據(jù)不同的任務(wù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整或者模塊升級(jí)，促使其成為了此后其他大型航天器的在軌維修與部署任務(wù)的電動(dòng)工具的基本構(gòu)型(圖12)。

圖12 PGT 執(zhí)行第4 次哈勃太空望遠(yuǎn)鏡維修[36]Fig.12 PGT performed the servicing mission 4 for HST[36]

4.2 其他用途的電動(dòng)工具

為了在2009 年第5 次維護(hù)哈勃望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)SM-4(飛行代號(hào)：STS-125)中更換高級(jí)巡天相機(jī)的電路板，需要拆裝111 顆螺釘，GSFC 的首席工程師Ashmore 主導(dǎo)開發(fā)了一款迷你電動(dòng)工具(Mini Power Tool)，是一種小型、高轉(zhuǎn)速、低扭矩的電動(dòng)螺絲刀，鋁合金外殼，額定轉(zhuǎn)速210 r/min，頂端安裝一個(gè)LED 燈，用于輔助照明。 該工具的低扭矩可以避免損壞螺釘，高轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)理念旨在幫助航天員快速拆裝螺釘，每15 s可以拆除1顆螺釘，在有限的艙外活動(dòng)時(shí)間內(nèi)快速完成維修任務(wù)，如圖13 所示。 從功能和結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，迷你電動(dòng)工具與PRT、PGT 一脈相承，該類工具的成功應(yīng)用為ISS 等航天器的在軌維修提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

4.3 ISS 手槍型電動(dòng)工具

PGT 在SM-2 中的成功應(yīng)用，促使ISS 各艙段的部署及其后續(xù)的維護(hù)任務(wù)中，JSC 選擇在HSTPGT 的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化升級(jí)，形成適用于國(guó)際空間站任務(wù)的ISS-PGT。 該工作由GSFC 的Richards 團(tuán)隊(duì)以及軌道科學(xué)公司和Swales 共同完成。 由于ISS 和HST 的工況與所采用的標(biāo)準(zhǔn)不同，ISS 艙段更大，航天員使用PGT 通常需要使用加長(zhǎng)桿，工具使用時(shí)極易側(cè)向偏轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的側(cè)向力可能導(dǎo)致工具測(cè)得的扭矩與實(shí)際施加的扭矩相差很大，為此ISS 專門針對(duì)PGT 的扭矩精度進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，充分考慮Man-In-The-Loop 效應(yīng)，以滿足ISS 任務(wù)的精度需求。

圖13 迷你電動(dòng)工具[38]Fig.13 Mini power tool[38]

ISS 使用的PGT 與HST 使用的功能幾乎完全一致，但是更為緊湊。 該工具長(zhǎng)為36 cm，高為38.6 cm，寬為7 cm，包含電池6.1 kg，不含電池4.8 kg(10.6 lb)，力矩及轉(zhuǎn)速匹配ISS 的需求，配套9.5 mm(3/8 in)接口，電動(dòng)模式下扭矩范圍為14 擋3.39～34.573 Nm(2.5 ～25.5 ft-lb)，轉(zhuǎn)速為5～60 r/min，圈數(shù)最高可達(dá)999。 速度擋位正反轉(zhuǎn)各3 檔：10 r/min、30 r/min、60 r/min。 手動(dòng)模式下為6 擋扭矩3.39 ～41.352 Nm(2.5 ～30.5 ftlb)。 電源管理15 min 自動(dòng)休眠，30 min 自動(dòng)斷電。 該工具還支持對(duì)扳機(jī)的每次扳動(dòng)進(jìn)行編程，任務(wù)控制模塊可以無(wú)線調(diào)整各種設(shè)置。 速度和扭矩的設(shè)置會(huì)顯示在LED 屏幕上，閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)可以提供良好的扭矩控制精度，并且該工具可在其內(nèi)存(Non-Volatile Memory，NVM)中記錄每次使用時(shí)的扭矩?cái)?shù)據(jù)，包括最大施加扭矩值和達(dá)到閾值扭矩后旋轉(zhuǎn)的角度等。 數(shù)據(jù)可以下載至計(jì)算機(jī)，可分析扭矩的精度以及診斷工具的健康狀況，如圖14 所示。

目前ISS 的PGT 的功能和性能已經(jīng)較為成熟，能夠滿足ISS 的在軌維修維護(hù)需求，但是具有進(jìn)一步升級(jí)的空間，例如其采用了鋰離子電池作為電源，鋰電池的熱穩(wěn)定性是進(jìn)一步研究和防護(hù)的重點(diǎn)，圖15 為航天員在國(guó)際空間站外使用PGT進(jìn)行熱控制設(shè)備的更換任務(wù)。

圖14 ISS 手槍型電動(dòng)工具[41]Fig.14 ISS pistol grip tool[41]

圖15 航天員在國(guó)際空間站外使用PGT 進(jìn)行熱控制設(shè)備的更換任務(wù)[42]Fig.15 Astronaut swap the thermal control gear outside of the ISS during a spacewalk[42]

表2 為哈勃手槍型電動(dòng)工具和空間站手槍型電動(dòng)工具具體參數(shù)列表。

5 艙外電動(dòng)工具的發(fā)展與研究方向

目前，國(guó)外在軌維修艙外電動(dòng)工具的研發(fā)日臻成熟，并成功應(yīng)用于以HST 和ISS 等載人航天在軌維修任務(wù)。 國(guó)內(nèi)載人航天在軌維修艙外電動(dòng)工具的研究尚處于起步階段，未見(jiàn)報(bào)道針對(duì)中國(guó)空間站的建設(shè)和在軌維修維護(hù)所使用的艙外電動(dòng)工具。 借鑒國(guó)外的艙外電動(dòng)工具，中國(guó)空間站的艙外電動(dòng)工具在產(chǎn)品研制和長(zhǎng)壽命應(yīng)用等方面仍有許多問(wèn)題尚待解決的難題。

1)維修任務(wù)體系與工具的統(tǒng)籌規(guī)范。 大型航天器配置的緊固螺釘規(guī)格較多，而特定規(guī)格的艙外電動(dòng)工具的轉(zhuǎn)速、扭矩、續(xù)航能力等均具有一定的適用范圍，在設(shè)計(jì)航天器時(shí)應(yīng)該考慮在軌維修任務(wù)體系與電動(dòng)工具的匹配性，優(yōu)先采用規(guī)范化的維修設(shè)計(jì)，減少螺釘規(guī)格和扭矩范圍，采用盡可能少的工具滿足盡可能多的維修任務(wù)，提高航天器的可維修性。 需要根據(jù)電動(dòng)工具的性能選擇合適的螺釘，或者根據(jù)必要的螺釘規(guī)格提升工具性能，在任務(wù)制定時(shí)期即形成維修任務(wù)體系與工具的統(tǒng)籌規(guī)范。

2)艙外電動(dòng)工具高可靠性設(shè)計(jì)方法。 區(qū)別于地面商用電動(dòng)工具，艙外電動(dòng)工具作為艙外維修任務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)充分考慮真空環(huán)境、單粒子效應(yīng)、冷熱交變等復(fù)雜空間環(huán)境要素，開展多種影響因素的耦合分析和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)行高可靠性設(shè)計(jì)，并實(shí)施有效的地面模擬驗(yàn)證方法。 實(shí)現(xiàn)基于人因工程的艙外電動(dòng)工具的操作便捷化和輕量化，最終確保電動(dòng)工具的在軌高可靠性和長(zhǎng)壽命需求，有效減少工具上行數(shù)量，降低研制成本，建立一套適用于航天員在軌艙外應(yīng)用的電動(dòng)工具的高可靠性設(shè)計(jì)方法。

表2 哈勃手槍型電動(dòng)工具和空間站手槍型電動(dòng)工具[34，40]Table 2 HST Pistol Grip Tool and ISS Pistol Grip Tool[34，40]

3)加強(qiáng)模塊化的手槍型電動(dòng)工具的研究。手槍型電動(dòng)工具結(jié)構(gòu)緊湊，不存在額外的線纜或配件，符合艙外操作的人因工程需求，操作、存取與攜帶較為便捷。 手槍型電動(dòng)工具具有較大范圍的力矩和速度調(diào)節(jié)能力，可以滿足絕大多數(shù)艙外維修任務(wù)的要求。 模塊化的設(shè)計(jì)理念便于根據(jù)任務(wù)需求調(diào)整、優(yōu)化模塊性能參數(shù)，也可以根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平對(duì)模塊進(jìn)行升級(jí)。 參考國(guó)外電動(dòng)工具的研制經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)模塊化手槍型電動(dòng)工具的研究十分迫切。

6 結(jié)論

艙外電動(dòng)工具是航天員實(shí)施在軌維修必不可少的工具之一。 多年來(lái)國(guó)際上針對(duì)不同的航天任務(wù)開發(fā)了多種艙外電動(dòng)工具，例如早期空間電動(dòng)工具、電動(dòng)棘輪工具、手槍型電動(dòng)工具、迷你電動(dòng)工具等艙外電動(dòng)工具。 基于中國(guó)空間站在軌維修維護(hù)需求，本文提出了中國(guó)艙外電動(dòng)工具的進(jìn)一步發(fā)展和研究方向，指出中國(guó)艙外電動(dòng)工具在研制過(guò)程中仍有許多關(guān)鍵問(wèn)題尚待解決，如航天器維修任務(wù)體系與工具的統(tǒng)籌規(guī)范、電動(dòng)工具的模塊化、高可靠性設(shè)計(jì)方法等。