載人航天在軌維修艙外電動(dòng)工具的發(fā)展與思考(下)

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

人類在太空低地球軌道的科學(xué)探索越來越廣泛和深入，未來不乏有可能進(jìn)入深空建立適合人類長(zhǎng)期駐留的月球站或者承擔(dān)其他載人深空探測(cè)任務(wù)，在太空惡劣的環(huán)境下維持航天器較長(zhǎng)時(shí)間的安全運(yùn)行必不可少地需要在軌開展維修維護(hù)工作，而艙外電動(dòng)工具是航天員完成在軌維修任務(wù)的必備工具。 至今，除了針對(duì)一些特定任務(wù)需求開發(fā)出的具有特定功能的艙外電動(dòng)工具外，手槍型電動(dòng)工具從使用層面符合人因工程，具有攜帶、存取、操作均較為靈巧便捷的優(yōu)點(diǎn)，以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和國(guó)際空間站為代表的航天器的大部分常規(guī)維修任務(wù)均通過手槍型電動(dòng)工具來完成[1-2]。

典型的手槍型電動(dòng)工具分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控、電源、人機(jī)界面4 個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)包括單個(gè)或多個(gè)必要的模塊。 機(jī)械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)提供了輸出扭矩的必要機(jī)構(gòu)模塊，如多級(jí)扭矩限制器(Multisetting Torque Limiter，MTL)、動(dòng)力總成(Power Train)和外殼(Main Housing)以及各種人機(jī)交互開關(guān)等；電控子系統(tǒng)包括電路板、傳感器、線路等；電源子系統(tǒng)包括電池組及附屬器件等；人機(jī)交互界面與電控系統(tǒng)密切相關(guān)，由可顯示設(shè)備工作狀態(tài)與故障狀態(tài)的屏幕或者指示燈等組成[3]。 本文對(duì)手槍型電動(dòng)工具的動(dòng)力總成、電控、電源等子系統(tǒng)進(jìn)行梳理總結(jié)，并對(duì)艙外電動(dòng)工具的研究難點(diǎn)與發(fā)展方向進(jìn)行探討。

2 手槍型電動(dòng)工具的模塊化設(shè)計(jì)

以哈勃望遠(yuǎn)鏡的第二次維修任務(wù)(The Hubble Servicing Mission 2，SM-2)中首次使用的手槍型電動(dòng)工具PGT 為例，該工具關(guān)鍵組成部分采用模塊化設(shè)計(jì)，共6 個(gè)模塊:MTL、動(dòng)力總成、外殼、電控模塊、人機(jī)交互界面和電池模塊[4]，結(jié)構(gòu)剖視圖見圖1。

圖1 PGT 中間剖視圖[4]Fig.1 The middle section of PGT[4]

模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和裝配難度，便于后續(xù)進(jìn)行性能優(yōu)化升級(jí)，每個(gè)模塊都可以單獨(dú)安裝和拆除。

2.1 扭矩限制器模塊

MTL 位于PGT 的前端，用于保護(hù)硬件免受過大扭矩。 工具的正后方設(shè)有安全開關(guān)，解鎖安全開關(guān)后，旋轉(zhuǎn)MTL 扭矩調(diào)節(jié)環(huán)可設(shè)置6 個(gè)擋位，電動(dòng)模式下扭矩范圍為1.4～67.8 Nm (1.0～50.0 ft-lb)，手動(dòng)模式下扭矩極限為41.3 Nm(30.5 ft-lb)。 安全開關(guān)采用了防誤操作設(shè)計(jì)[4]。

2.2 動(dòng)力總成模塊

PGT 的動(dòng)力總成由電機(jī)、減速器、扭矩傳感器和棘輪機(jī)構(gòu)組成。 在NASA 對(duì)于無刷直流電機(jī)開展的相關(guān)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上[5]，PGT 的電機(jī)為28 V 四極無刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用釤鈷磁體，配置霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。 減速器采用兩級(jí)行星齒輪組，減速比為110 ∶1[4]。

通過旋轉(zhuǎn)棘輪機(jī)構(gòu)配置電動(dòng)或手動(dòng)模式，有3 種設(shè)置:順時(shí)針手動(dòng)模式(RCW)，電動(dòng)模式(MTR)和逆時(shí)針手動(dòng)模式(RCCW)。 MTR 模式下離合器處于嚙合狀態(tài)，電機(jī)輸出軸通過MTL 與PGT 輸出軸連接。 在RCW 和RCCW 模式下，離合器處于松開狀態(tài)，負(fù)載路徑是通過棘輪棘爪傳遞到主殼體。 此外通過霍爾傳感器抑制電機(jī)在RCW 和RCCW 手動(dòng)模式下的異常轉(zhuǎn)動(dòng)[4-6]。

2.3 外殼及機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑

在PGT 的外殼內(nèi)，設(shè)計(jì)有MTL、離合器、棘輪環(huán)、各式開關(guān)等多個(gè)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。 外殼及內(nèi)部機(jī)構(gòu)部分在溫度交變和高真空環(huán)境下可能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯，合適的潤(rùn)滑技術(shù)是避免空間環(huán)境下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯的必要措施。

由于LEO 空間環(huán)境的復(fù)雜性和空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的特殊性，很多地面常溫常壓環(huán)境下所使用的潤(rùn)滑技術(shù)不再適用，LEO 空間環(huán)境對(duì)潤(rùn)滑材料的物理、化學(xué)性質(zhì)具有直接或間接的影響，將導(dǎo)致潤(rùn)滑材料的性能退化甚至失效。 目前解決太空機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副摩擦一般采用空間固體潤(rùn)滑技術(shù)[7]。

自20 世紀(jì)60 年代起，以美國(guó)和蘇聯(lián)為代表的航天大國(guó)開展了固體潤(rùn)滑方面的大量研究。 如和平號(hào)空間站中，載人飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承、太陽(yáng)帆板展開機(jī)構(gòu)等均采用了固體潤(rùn)滑技術(shù)。 美國(guó)部分航天產(chǎn)品中的滾動(dòng)軸承、航天飛機(jī)的掃描機(jī)構(gòu)等裝置中也使用了固體潤(rùn)滑技術(shù)[7-9]。 中國(guó)航天領(lǐng)域從20 世紀(jì)70 年代起開展了以MoS2固體潤(rùn)滑技術(shù)為主的研究[10]。

固體潤(rùn)滑是利用鍍、涂等方法將固體潤(rùn)滑材料粘著在摩擦表面，形成固體潤(rùn)滑膜以減少兩承載表面之間的摩擦、磨損或其他形式的表面損壞作用[11-12]。 固體潤(rùn)滑劑或固體潤(rùn)滑膜即為這種能夠降低摩擦、減小磨損的固體物質(zhì)。 常用的空間固體潤(rùn)滑材料主要分為:軟金屬、層狀結(jié)構(gòu)物、高分子聚合物、其他低剪切強(qiáng)度材料四類[13]。

軟金屬的代表材料為鉛、金、銀等，離子鍍鉛、鍍金、鍍銀膜等在空間機(jī)械中廣泛應(yīng)用。 其優(yōu)點(diǎn)為與工件結(jié)合性好，能夠持續(xù)發(fā)揮減磨和潤(rùn)滑作用，無低溫脆性，缺點(diǎn)為抗氧化性和抗原子氧侵蝕能力較差[14]，不適用于低軌艙外應(yīng)用。

層狀結(jié)構(gòu)物的代表材料有MoS2、WS2、NbSe2等，在空間潤(rùn)滑領(lǐng)域，濺射MoS2潤(rùn)滑膜的應(yīng)用最為廣泛，為提高抗?jié)裥院湍湍バ?，一般在MoS2中添加Ti、Ni 等形成共濺射膜。 層狀結(jié)構(gòu)物潤(rùn)滑材料的優(yōu)點(diǎn)為高承載力以及可以有效地防止真空冷焊，真空摩擦系數(shù)和磨損率低，耐高低溫交變和抗輻射性好[14-16]。 但純MoS2在潮濕大氣環(huán)境下極易氧化，從而使?jié)櫥阅芟陆担Ｒ姷姆雷o(hù)措施有采用高純氮?dú)饣蚨栊詺怏w保護(hù)。 采用MoS2固體潤(rùn)滑方式的產(chǎn)品，需考慮密封性良好的貯存箱或貯存空間[15-17]。 近年來發(fā)展的類金剛石碳薄膜(Diamond-Like Carbon films，DLC 膜)固體潤(rùn)滑兼具了金剛石和石墨的優(yōu)良特性，具有高硬度、高電阻率、良好光學(xué)性能以及摩擦學(xué)特性，在空間機(jī)構(gòu)中具有較多的應(yīng)用[18-21]。

高分子聚合物的代表材料為PTFE、PF、EP、PI、PA 等，優(yōu)點(diǎn)為真空摩擦系數(shù)低，化學(xué)穩(wěn)定性好，低溫性能和電絕緣性好，缺點(diǎn)為承載能力較差[16]。

其他低剪切強(qiáng)度材料為金屬氧化物、氟化物、硫化物等，如PbO、CaF2等在高溫下具有良好的潤(rùn)滑作用。 該類材料在高溫下具有高抗氧化性，且摩擦系數(shù)隨著溫度升高而減小等特點(diǎn)，但目前只適用于一些特殊用途的潤(rùn)滑[16]。

2.4 電控模塊

電控模塊由安裝在鋁外殼上的模擬電路板和數(shù)字電路板組成。 這些電路板主要由以下組件構(gòu)成:1 個(gè)87C196KD 單片機(jī)、1 個(gè)時(shí)鐘振蕩器、內(nèi)存地址鎖存、EEPROM、1 個(gè)可擦可編程邏輯設(shè)備(EPLD)EMP5130、82C55 端口擴(kuò)展器、DAC-8412四路數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、應(yīng)變儀轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路、溫度(電機(jī)、電池和電動(dòng)混合動(dòng)力)信號(hào)調(diào)節(jié)電路、硬件轉(zhuǎn)矩報(bào)警電路、閉鎖限流電路以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)混合電路。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)為將電機(jī)控制系統(tǒng)、1 個(gè)測(cè)量信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、1 個(gè)8 通道/10 bit數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和1 個(gè)可靠的電源封裝到大小為245 cm3(15 in3)的體積中。 PGT 采用了先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)和裝配技術(shù)解決該難點(diǎn)，包括全數(shù)字控制方案、多功能微控制器、現(xiàn)用混合微電路(Off-the-Shelf Hybrid Microcircuits)、可編程邏輯和雙面表面安裝技術(shù)[4，22]。

PGT 的電控模塊及控制軟件實(shí)現(xiàn)了三大功能:伺服控制、故障檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集。 伺服系統(tǒng)為閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和角度輸出。 基于比例和積分控制算法，使用脈沖寬度調(diào)制和電機(jī)自身速度控制曲線數(shù)據(jù)。 軟件允許電機(jī)在以下3 種情況下工作:程序轉(zhuǎn)矩、程序轉(zhuǎn)速、基于自身速度/轉(zhuǎn)矩曲線的最大輸出。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還收集和存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)，可以檢測(cè)到軟件、溫度、電流、電壓和扭矩的各種故障。 故障歷史記錄存儲(chǔ)在非易失性內(nèi)存中，以便在開發(fā)、測(cè)試和使用期間排除故障。 NASA等機(jī)構(gòu)針對(duì)無刷直流電機(jī)及控制策略在空間環(huán)境下的應(yīng)用及效果開展了相關(guān)研究[23-26]。 PGT 采用的無刷直流電機(jī)與控制器以及FPGA 電路均應(yīng)考慮LEO 軌道上的粒子輻射防護(hù)，也可采用一定的三模冗余等容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)，以避免發(fā)生故障后的控制系統(tǒng)失效[27-30]。

在每次HST 維修任務(wù)之前，PGT 都通過RS-422 或RS-232 接口進(jìn)行編程。 每個(gè)任務(wù)可編程設(shè)置14 個(gè)扭矩和3 個(gè)速度，每個(gè)扭矩也可以編程設(shè)置特定的轉(zhuǎn)數(shù)或角度。 可設(shè)定的扭矩范圍為2.7～33.9 Nm(2.0～25.0 ft-lb)；可設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍為0.5～6.3 rad/s(5.0～60.0 r/min)，可設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)范圍為0.01～999.99 r 或1～1000°。 其他可編程變量包括堵轉(zhuǎn)時(shí)間、休眠時(shí)間、自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間、扭矩閾值和角度閾值。 PGT 可以精確記錄拆裝某個(gè)螺釘?shù)男D(zhuǎn)方向、扭矩和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)[4]。

2.5 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面用于航天員控制和獲取工具狀態(tài)，并通過字母數(shù)字顯示和發(fā)光二極管(LED)等提供視覺反饋(圖2)。 航天員通過各種開關(guān)以及MTL 扭矩環(huán)、棘輪環(huán)、程控扭矩環(huán)和速度環(huán)等來選擇PGT 的配置。 速度環(huán)有一個(gè)CAL 鍵，可測(cè)試LED 字母數(shù)字顯示和校準(zhǔn)扭矩傳感器[31]。 開關(guān)包括開/關(guān)斷路器、A/B 模式開關(guān)和扳機(jī)。 通過LED 和字母數(shù)字顯示向航天員顯示配置、性能和故障信息。 LED 由電源(綠色)、故障(紅色)和扭矩(綠色)組成。 字母數(shù)字顯示器顯示程序轉(zhuǎn)矩、程序速度、方向、實(shí)際峰值轉(zhuǎn)矩和自上次配置更改以來的實(shí)際累計(jì)旋轉(zhuǎn)次數(shù)，故障信息也會(huì)在顯示屏中顯示[4]。

圖2 PGT 人機(jī)交互界面[31]Fig.2 PGT Operator interface[31]

2.6 鋰離子電池組及熱失控防護(hù)

理想的空間電池技術(shù)需保持電池體積足夠小，便于航天員使用，能夠提供長(zhǎng)續(xù)航，自身安全不易發(fā)生泄露等故障。 PGT 的電池組要求在HST 維修任務(wù)中最惡劣的熱邊界條件下，可保持至少28 V與1 A連續(xù)電流的電子器件和8.25 A 的電機(jī)峰值電流，且具有足夠的電量進(jìn)行整個(gè)6 h的艙外活動(dòng)。 自可充電電池發(fā)展至今，典型的可能用于電動(dòng)工具電源的4 種電池技術(shù)分別為:鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)、鋰離子(LiIon)和銀鋅(AgZn)。 其中，鋰離子電池具有最高的電池電壓和體積能量密度，PGT 是第一個(gè)采用了鋰離子電池的空間設(shè)備[4]。

每個(gè)PGT 電池組包含10 個(gè)串聯(lián)的3.7 V/2.6 Ah 的18650 鋰離子電池單體，可形成一個(gè)41 V的開路和一個(gè)36 V 的標(biāo)稱閉合電路，充電時(shí)為2 并5 串結(jié)構(gòu)。 電池組由可拆卸的鍍鎳鋁外殼包覆，電池組的一端是一個(gè)小型矩形電連接器，它是電池組與工具端的供電接口。 在工具短路的情況下，由10 A 保險(xiǎn)絲提供過電流保護(hù)。 電池模塊和電池護(hù)罩上帶有導(dǎo)向槽，以防止錯(cuò)誤插入。 內(nèi)置溫度傳感器，超過標(biāo)稱溫度時(shí)，通過顯示屏向用戶顯示電池溫度過高報(bào)警，如電池溫度升高并接近不安全的水平，則會(huì)自動(dòng)斷開電源。

鋰離子電池能量高、體積小，缺點(diǎn)是工作溫度區(qū)間有限，極限工作溫度區(qū)間約為－20～50 ℃，最佳工作溫度為20～40 ℃，且在高溫時(shí)熱穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生熱失控(Thermal Runaway，TR)。 因此在低地球軌道的陰影區(qū)使用時(shí)，需減少熱耗散以保持電池溫度，在陽(yáng)照區(qū)，需處理在環(huán)境溫度過高的情況下電機(jī)等大功率部件運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致電池產(chǎn)生的高熱，以防止鋰離子電池高溫產(chǎn)生失效，甚至起火、爆炸等事故[32]。

對(duì)于鋰電池安全問題，Darcy 等[33]針對(duì)10 節(jié)18650 組成的鋰電池組的熱失控開展了一系列的研究，圖3 為該團(tuán)隊(duì)開展鋰離子電池?zé)崾Э匮芯克褂玫碾姵亟Y(jié)構(gòu)。 研究總結(jié)了鋰離子電池?zé)崾Э胤雷o(hù)的關(guān)鍵點(diǎn):減少電池單體因高溫等原因?qū)е缕屏训娘L(fēng)險(xiǎn)；電池內(nèi)部單體之間有充足的空間，避免電池單體之間直接接觸使得內(nèi)部無熱擴(kuò)散通道，導(dǎo)致電池組整體熱失控；并聯(lián)單體間設(shè)有保險(xiǎn)絲，防止單體熱失控后對(duì)其他單體產(chǎn)生加熱效應(yīng)；保護(hù)熱失控單體附近的其他單體，防止單體熱失控后產(chǎn)生的固液氣等導(dǎo)電物質(zhì)導(dǎo)致其他單體短路；熱失控后防止電池組內(nèi)部朝外噴射火焰和火星。 研究表明，殼體上設(shè)計(jì)碳纖維刷組成的防火透氣孔，可以在熱失控后平衡氣壓及阻擋內(nèi)部的火焰和火星向外噴射；將單體安裝于由Al 6061T6鋁合金制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)件內(nèi)，在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)提高內(nèi)部散熱能力；兩端通過環(huán)氧層壓板進(jìn)行固定；單體外層包裹云母紙后插入鋁合金孔內(nèi)[33-36]，如圖4 所示。

圖3 PGT 電池組[33]Fig.3 PGT battery pack[33]

圖4 電池組的熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)[33]Fig. 4 Thermal Runaway protection design of battery pack[33]

3 艙外電動(dòng)工具的優(yōu)化與地面驗(yàn)證

3.1 持續(xù)的優(yōu)化及測(cè)試

為了保證艙外電動(dòng)工具正確、安全且有效地工作，NASA 的戈達(dá)德太空飛行中心(Godard Space Flight Center， GSFC) 的 EVA 負(fù) 責(zé) 人Cepollina 和EVA 經(jīng)理Werneth 清晰地闡述了研制維修哈勃的工具的主要目標(biāo)和重要標(biāo)準(zhǔn)之一即是持續(xù)地測(cè)試，并稱之為一個(gè)重要的教訓(xùn)，因?yàn)樵诠ぞ邷y(cè)試上花費(fèi)的時(shí)間可以節(jié)省寶貴的EVA 在軌工作時(shí)間和研制成本。 GSFC 的EVA 團(tuán)隊(duì)建立了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，明確了發(fā)射要求和工作環(huán)境，對(duì)每種工具的安全系數(shù)進(jìn)行核查，并制定嚴(yán)格的測(cè)試和認(rèn)證規(guī)范。 由于每個(gè)航天飛機(jī)任務(wù)都有限定的質(zhì)量分配，導(dǎo)致每種工具均不存在更多的備份件，需要在確保足夠高可靠性的前提下盡量輕量化，需要不斷地優(yōu)化和測(cè)試。 GSFC 針對(duì)每個(gè)EVA 執(zhí)行的任務(wù)以及每個(gè)任務(wù)需使用的工具，均按重要性提前規(guī)劃，形成任務(wù)概要時(shí)間表和每個(gè)EVA 任務(wù)的工具集目錄，并做到充分的測(cè)試和驗(yàn)證。 工具集目錄作為參考基準(zhǔn)，當(dāng)新工具研制并投入使用時(shí)，冗余工具則被剔除[37-39]。

3.2 艙外工具的地面驗(yàn)證

NASA 針對(duì)航天員使用PGT 或者其他艙外工具進(jìn)行在軌維修任務(wù)設(shè)計(jì)了一系列的地面培訓(xùn)學(xué)習(xí)程序。 在軌維修的每個(gè)動(dòng)作都需經(jīng)過細(xì)致的分析和地面驗(yàn)證，演練需要克服重力影響，主要分為水下演練和懸吊演練。

NASA 的中性浮力實(shí)驗(yàn)室(Neutral Buoyancy Laboratory，NBL)包含航天員訓(xùn)練設(shè)施和中性浮力游泳池，位于德克薩斯州休斯頓約翰遜航天中心附近的桑尼˙卡特訓(xùn)練設(shè)施中[40-41]。 俄羅斯、ESA 等航天機(jī)構(gòu)也建造了類似的中性浮力實(shí)驗(yàn)室[42-43]，如位于俄羅斯莫斯科的加加林航天員訓(xùn)練中心( Gagarin Cosmonaut Training Center，GCTC)的中性浮力試驗(yàn)室，位于德國(guó)科隆的歐空局中性浮力實(shí)驗(yàn)室(Neutral Buoyancy Facility，NBF)。 航天員可以在中性浮力實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行模擬的EVA 任務(wù)，為即將進(jìn)行的任務(wù)開展訓(xùn)練。 受訓(xùn)人員穿著的訓(xùn)練航天服可以提供中性浮力，以模擬航天員在太空飛行中的微重力環(huán)境。 航天員在水槽中進(jìn)行演練時(shí)，所有的維修動(dòng)作都需在一個(gè)1 ∶1 的目標(biāo)模型上反復(fù)模擬操作。 軌道ATK 公司、戈達(dá)德太空飛行中心的Liszka 等設(shè)計(jì)了一個(gè)防水的手槍型電動(dòng)工具，外形與在軌使用的PGT的正式版本基本一致，專用于航天員水下訓(xùn)練，并采用不用顏色區(qū)分不同長(zhǎng)度的加長(zhǎng)桿。 該水下版PGT 工具設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新點(diǎn)包括使用輕質(zhì)材料(鋁和Delrin?高性能聚甲醛樹脂)制造一個(gè)更輕量化的外殼，并對(duì)內(nèi)部空間的布局進(jìn)行優(yōu)化與減重設(shè)計(jì)。 該工具的另一個(gè)創(chuàng)新之處是應(yīng)用了一個(gè)水密性的密封裝置，在水下可以可靠地使用長(zhǎng)達(dá)6 h，在水中該工具重量為1.1 kg(2.4 lb)[44-45]。圖5 為使用該水下版PGT 開展水下中性浮力訓(xùn)練。

圖5 水下中性浮力訓(xùn)練[45]Fig.5 Underwater neutral buoyancy training[45]

此外，為了使航天員初步熟悉真實(shí)的工具使用工況，需使用在軌使用的工具開展地面訓(xùn)練，因PGT 的正式版本自重較重，不利于單手操作，針對(duì)地面級(jí)功能性測(cè)試，采用輔助懸吊抵消重力影響。 NASA 約翰遜航天中心的航天飛機(jī)模型設(shè)施中的主動(dòng)響應(yīng)式重力卸載系統(tǒng)(Active Response Gravity Offload System，ARGOS)可完成懸吊訓(xùn)練。ARGOS 系統(tǒng)可以讓航天員處于懸空狀態(tài)，并擁有完全的運(yùn)動(dòng)自由度，可模擬微重力環(huán)境[46-47]。 圖6 為ESA 英國(guó)航天員Timothy Peake 在使用PGT進(jìn)行國(guó)際空間站EVA 的ARGOS 訓(xùn)練[48]。

圖6 ESA 英國(guó)航天員Timothy Peake 在進(jìn)行國(guó)際空間站EVA 的PGT/ARGOS 訓(xùn)練[48]Fig.6 ESA astronaut (UK) Timothy Peake during ISS EVA PGT/ARGOS training[48]

4 手槍型電動(dòng)工具的難點(diǎn)分析

4.1 設(shè)備功能的完備性與可實(shí)現(xiàn)性的協(xié)調(diào)

在軌部署與在軌維修任務(wù)具有一定特殊性，在空間環(huán)境方面，面臨真空、極端溫度、輻射等影響；操作性方面，要滿足航天員著太空服后的可視性、操作便捷性、操作安全性、對(duì)航天員的反作用力等；在設(shè)備功能方面，電池長(zhǎng)續(xù)航、接口通用性強(qiáng)、適應(yīng)力矩范圍大、輸出力矩精度高、可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍大等。 因此理想的艙外電動(dòng)工具應(yīng)該具有體積小、質(zhì)量輕、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、反作用力小、適應(yīng)力矩范圍大、輸出力矩精度高、可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍大、標(biāo)識(shí)清楚、操作便捷簡(jiǎn)單、良好的安全性等特點(diǎn)。 但是各個(gè)性能要求之間存在相互制約的關(guān)系，例如，在目前的技術(shù)能力下，電池的體積與續(xù)航時(shí)間及工具體積成正比，負(fù)載扭矩越大則工具續(xù)航時(shí)間越短，體積與質(zhì)量越大則可操縱性越差，輸出力矩較小時(shí)難以控制力矩精度，轉(zhuǎn)速越慢則需要的操作時(shí)間越長(zhǎng)等。 此外，還包括當(dāng)航天員無法手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)是否支持遙控操作，不同長(zhǎng)度及規(guī)格的延長(zhǎng)桿的端部力矩是否最優(yōu)化等。 相對(duì)于地面電動(dòng)工具工作的環(huán)境及所需要的性能要求，艙外電動(dòng)工具的實(shí)現(xiàn)難度巨大，NASA 經(jīng)過近50 年的積累，最終形成了適用于國(guó)際空間站部署與維修的工具參數(shù)。

4.2 有限防護(hù)條件下的器件在空間環(huán)境下的性能

艙外電動(dòng)工具內(nèi)對(duì)LEO 環(huán)境敏感的主要有電機(jī)、電池和電路板等含電子元件的部件。 目前主流采用的無刷電機(jī)的環(huán)境耐受溫度一般不低于－55 ℃，而低軌實(shí)際環(huán)境溫度要低于此溫度，因此在低溫環(huán)境下對(duì)內(nèi)部器件的防護(hù)需要特殊設(shè)計(jì)。針對(duì)低溫區(qū)的極冷環(huán)境，需要采取一定的保溫措施。

電池及電路板上的個(gè)別高功率器件在高溫區(qū)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，工具本體的產(chǎn)熱與環(huán)境的高溫作用疊加，可能會(huì)導(dǎo)致工具過熱故障。 大多數(shù)電子器件均有理論耐受溫度范圍，優(yōu)良的艙外電動(dòng)工具在有限的體積內(nèi)要滿足極冷極熱環(huán)境下的溫度適應(yīng)性，對(duì)關(guān)鍵器件進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)還要足夠的金屬屏蔽層保證器件不受空間輻射影響。

空間站低地球軌道上的平均太陽(yáng)熱通量負(fù)荷密度約為1367 W/m2[49]，艙外設(shè)備的暴露外表面在陽(yáng)照區(qū)時(shí)會(huì)快速升溫，在陰影區(qū)時(shí)會(huì)迅速降溫。此外工具內(nèi)部的鋰離子電池和大功率器件在連續(xù)工作一定時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生熱量。 艙外電動(dòng)工具需要開展熱設(shè)計(jì)，從而解決在溫度交變環(huán)境下的正常工作和內(nèi)部大功率器件散熱問題。

為減少太陽(yáng)熱通量的影響，較為常見的解決方案是在結(jié)構(gòu)外表面增加熱控涂層。 以一種熱控白色涂料為例，太陽(yáng)吸收率約為0.2，紅外發(fā)射率約為0.7。 此外陽(yáng)極氧化也是常見的金屬表面處理工藝，如一種陽(yáng)極氧化表面的太陽(yáng)吸收率約為0.3，紅外發(fā)射率約為0.5[50]。

要滿足在大溫度變化區(qū)間范圍內(nèi)使用，合理的熱控設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。 然而同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速將內(nèi)部功率器件的熱量傳導(dǎo)出去，并保持外部環(huán)境低溫下時(shí)內(nèi)部溫度不過低，外部環(huán)境高溫下時(shí)內(nèi)部溫度不過高，這幾種極限工況的需求本身互相制約，因此探究合理的溫度平衡區(qū)間十分重要。

無論是在工具的外部采用常規(guī)的多層隔熱組件，還是采用熱控涂層，這些熱控措施不耐受長(zhǎng)期多次觸碰，易產(chǎn)生劃痕甚至破損，進(jìn)而影響熱控性能。 因此理想的外表面為具有特定熱控參數(shù)性能的硬質(zhì)材料，具有較高的紅外發(fā)射率和較低的太陽(yáng)吸收率，且具有一定的耐磨性能，可保持熱控參數(shù)較長(zhǎng)時(shí)間不因磨損而改變，同時(shí)其表面材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，盡量地隔絕外部環(huán)境對(duì)工具的影響，從而利用工具內(nèi)部自身的功率器件產(chǎn)熱并快速傳導(dǎo)擴(kuò)散至工具內(nèi)部其他部分，既能在外部低溫環(huán)境下保證內(nèi)部的溫度不會(huì)過低，同時(shí)也避免個(gè)別功率器件產(chǎn)熱過高引起工具故障。

4.3 鋰電池的安全防護(hù)

受限于工具體積，目前艙外電動(dòng)工具主流的電池組方案采用能量密度較高的鋰離子電池，由于空間環(huán)境溫度可能達(dá)到的低溫和高溫均遠(yuǎn)超過鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間，鋰電池的安全防護(hù)主要分為低溫?zé)峥乇丶案邷責(zé)崾Э胤雷o(hù)2 個(gè)層面。 低溫區(qū)的熱控保溫防護(hù)主要為防止電池在過低溫度下產(chǎn)生的容量變低、衰減嚴(yán)重、循環(huán)倍率性能差、析鋰現(xiàn)象明顯、脫嵌鋰不平衡等問題[51]，尤其在出艙后即為低溫區(qū)，且出艙較長(zhǎng)一段時(shí)間后才開機(jī)工作時(shí)，為保證鋰電池組溫度不會(huì)過低，需要采取必要的熱控防護(hù)措施，甚至主動(dòng)熱控措施。

鋰電池在高溫區(qū)環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作后，由于鋰元素的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生電池組熱失控，嚴(yán)重的熱失控甚至產(chǎn)生電池泄露、起火甚至爆炸。 對(duì)于電池組件，需設(shè)計(jì)合理的電量監(jiān)測(cè)，電池單體之間避免產(chǎn)生顯著的壓差，單體之間采用合理的間隔材料傳導(dǎo)消散熱量以及足夠的電池?zé)崾Э匚锢矸雷o(hù)措施，確保在發(fā)生熱失控之后，不會(huì)對(duì)航天員產(chǎn)生安全影響，避免導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

4.4 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑困難

艙外電動(dòng)工具內(nèi)一般設(shè)計(jì)有減速器、力矩限制器、旋轉(zhuǎn)或直線開關(guān)等運(yùn)動(dòng)副，這些運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在真空低溫下較長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)作，可能產(chǎn)生機(jī)構(gòu)卡滯，目前空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍采用一定的潤(rùn)滑措施。 傳統(tǒng)的二硫化鉬潤(rùn)滑涂層容易脫落，在軌長(zhǎng)期使用效果較差；油膏狀二硫化鉬潤(rùn)滑油脂易揮發(fā)，且低溫下增加額外的運(yùn)動(dòng)阻尼，降低工具的有效輸出扭矩。 在潤(rùn)滑措施效果有限的情況下，潤(rùn)滑措施的有效工作時(shí)間與工具的壽命直接正相關(guān)，精確設(shè)計(jì)工具中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)次數(shù)，可以針對(duì)采用的潤(rùn)滑措施推算出工具的理論壽命。 研究更長(zhǎng)壽命的潤(rùn)滑措施也是艙外電動(dòng)工具長(zhǎng)期在軌安全使用的關(guān)鍵。

4.5 地面試驗(yàn)驗(yàn)證困難

開發(fā)一款新式的艙外電動(dòng)工具需要完成一系列地面驗(yàn)證試驗(yàn)。 其中最復(fù)雜的是在模擬熱真空環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)臄Q緊擰松、速度檔位調(diào)節(jié)、電機(jī)的啟?？刂频葯C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，密封殼體內(nèi)各部位的溫度監(jiān)控等試驗(yàn)。 熱環(huán)境下的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)需要設(shè)計(jì)專用試驗(yàn)裝置，并且對(duì)于個(gè)別的運(yùn)動(dòng)工況還需模擬等效微重力下的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，具體試驗(yàn)參數(shù)的確定和試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)均較為困難。

為了配合航天員在水下試驗(yàn)艙開展中性浮力訓(xùn)練，需要開發(fā)水下專用的防水電動(dòng)工具。 可借鑒現(xiàn)有的商用防水技術(shù)，但是將一款新式的防水電動(dòng)工具進(jìn)行良好的工程化需要重新考慮較多的因素，如可能涉及的電機(jī)水冷、密封、防腐蝕、防短路等。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以哈勃望遠(yuǎn)鏡的第二次維修任務(wù)SM-2中首次使用的手槍型電動(dòng)工具PGT 為例，介紹了手槍型電動(dòng)工具的典型模塊化設(shè)計(jì)、艙外工具的測(cè)試與地面驗(yàn)證工具與設(shè)施等，并總結(jié)出了手槍型電動(dòng)工具的研制難點(diǎn)。 目前最為成熟的手槍型電動(dòng)工具PGT 采用了模塊化設(shè)計(jì)，便于工具升級(jí)，包括鋰離子電池組、無刷直流電機(jī)動(dòng)力總成、多級(jí)力矩控制器、可編程數(shù)據(jù)輸入輸出接口等模塊，還針對(duì)鋰離子電池的熱擴(kuò)散和熱失控開展討論。

未來人類發(fā)展的太空任務(wù)距離地球越來越遙遠(yuǎn)，從月球到火星都可能開展在軌維修任務(wù)。 當(dāng)前技術(shù)條件下，載人航天器相關(guān)的在軌維修操作一般由航天員來完成，然而對(duì)于中高軌道乃至深空探測(cè)的航天器，人類短期內(nèi)無法到達(dá)，其在軌維修任務(wù)只能由無人維修工具來完成。 相較航天員操作的手持艙外電動(dòng)工具，無人工具難度更高，除需能夠適應(yīng)可能更惡劣的空間環(huán)境外，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的靈活性在完成絕大多數(shù)任務(wù)上均遠(yuǎn)不如人手靈活，尤其類似串聯(lián)機(jī)械手等機(jī)構(gòu)在微重力下的機(jī)械累積誤差，可能導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu)的末端擺動(dòng)幅度過大，無法準(zhǔn)確地抓取或者實(shí)現(xiàn)某些對(duì)位動(dòng)作。無人在軌維修潛在的對(duì)象更為廣泛，可以面向所有航天器，但一般高速飛行的航天器捕獲較為困難，深空探測(cè)類航天器的維修還需解決遠(yuǎn)程通訊問題。

無論是由航天員還是由機(jī)器人對(duì)航天器進(jìn)行維修，最終涉及到執(zhí)行工具部分的原理都是相同的。 當(dāng)前中國(guó)載人航天工程中的艙外電動(dòng)工具尚處于起步階段，建議開發(fā)該類工具時(shí)重點(diǎn)關(guān)注空間環(huán)境防護(hù)、工具熱控設(shè)計(jì)、電池管理與熱失控防護(hù)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑、力矩精確控制等方面，進(jìn)一步亦可考慮開發(fā)智能化、小型化的艙外電動(dòng)工具，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度，提升操作靈活性，并不斷優(yōu)化以提升工具性能及可靠性，為在軌維修任務(wù)提供高效實(shí)用的電動(dòng)工具。