水下模擬失重試驗模型設施發(fā)展綜述

韓 旭，石 蒙，董 睿，馬愛軍，張 磊，劉偉波

（中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

0 引言

水下中性浮力模擬是模擬空間失重狀態(tài)的一種有效形式。與失重飛機等方式相比，水下模擬失重試驗具有試驗時間長，效費比高，能夠進行大型設備試驗等優(yōu)勢。尤其是在載人航天工程中，通過水下模擬失重試驗可以確定空間航天器的硬件設計是否合理，出艙活動支持能力是否滿足要求；工程設計部門可以及早發(fā)現(xiàn)出艙活動支持硬件初樣設計中的不足之處，以改進設計，確定技術狀態(tài)；出艙任務、出艙程序和方案甚至交會對接等空間任務的可行性也可以在水下平臺上進行驗證。

水下試驗模型是水下模擬失重試驗設施的重要組成部分，主要用來在水下構建一個與空間飛行器外形及操作界面類似的水下模型，模擬空間中飛行器的占位、操作界面及操作力等。迄今為止，國外對此類設備開展的研究和建設活動主要集中在美俄兩國。本文對兩國水下試驗模型的發(fā)展歷程及我國類似設施的研制現(xiàn)狀進行調研，以期為我國后續(xù)類似設備的發(fā)展梳理總結可借鑒的經(jīng)驗。

1 水下試驗模型的組成及特點

水下試驗模型主要包括2 部分：一是有出艙作業(yè)需求的空間飛行器水下模型，如空間實驗室或空間站、飛船的水下模型及配套設備等；二是具有艙外活動支持能力的設備，如以空間機械臂功能為基礎建造的水下機械臂等，其在功能上具備獨立性。

水下模型根據(jù)試驗需求，一般有以下特點：1）外形上能夠構建整體或部分空間飛行器的表面輪廓；2）功能上能夠實現(xiàn)操作機構或操作界面的模擬；3）按照模擬需求對設備的逼真度進行合理設計；4）環(huán)境適應性上能夠實現(xiàn)水下模擬中性浮力操作，能夠與水體環(huán)境在防腐、潤滑等方面兼容。

2 飛行器水下模型的發(fā)展及現(xiàn)狀

美/俄在早期空間實驗室及現(xiàn)在的空間站階段都建造了相應飛行器或艙段的水下模型用于試驗驗證和訓練，部分空間飛行器的維修也在水下進行了相關的試驗和訓練。

2.1 俄羅斯飛行器水下模型

俄羅斯加加林航天員中心水下實驗室（Hydrolab）現(xiàn)有國際空間站服務艙的水下模型，見圖1。該艙包括多個分段，每段采用支架支撐，通過拼接形成整艙的外形。模型底座由金屬桿組成，支架上有轉艙滾輪，每個分段上都有轉艙軌道，滾輪與軌道配合使用可使艙段沿軸線旋轉，以方便將支架下方的作業(yè)面調整至適合作業(yè)的位置。

圖1 國際空間站服務艙水下模型Fig. 1 Underwater model of ISS’s service module

水下實驗室所用的部分手動工具見圖2，主要有各種鉗子、錘子和鑿子等，工具手柄上一般有系繩防止掉落。

圖2 加加林航天員中心水槽水下工具模型Fig. 2 Models of underwater tools in Gagarin Astronaut Center

2.2 美國飛行器水下模型

美國典型的水下試驗與訓練設施包括中性浮力模擬器（Neutral Buoyancy Simulator, NBS）與中性浮力實驗室（Neutral Buoyancy Laboratory, NBL）。天空實驗室（Skylab）任務的水下試驗與訓練均在中性浮力模擬器中完成，國際空間站任務的相關水下試驗與訓練在中性浮力實驗室中進行，哈勃太空望遠鏡維修任務的相關水下試驗與訓練在這2 個設施中均有實施。

2.2.1 天空實驗室水下模型

天空實驗室任務的水下試驗和訓練項目包括出入氣閘艙、艙外維修及物品轉移等。根據(jù)試驗需求，天空實驗室水下模型（見圖3）的逼真度分4級—A（飛行類）、B（僅功能性）、C（僅物理性）和D（僅包絡線）：大部分水下模型的逼真度為B，非出艙活動硬件的逼真度通常為D，出艙門和閉鎖機構的逼真度為A，氣閘艙控制面板和阿波羅望遠鏡模塊所有控制開關的逼真度均為C。

圖3 中性浮力模擬器中的天空實驗室模型Fig. 3 The Skylab mockups in NBS

天空實驗室水下模型在材料選擇方面獲得了不少有意義的經(jīng)驗：在應用中不銹鋼是唯一不受水腐蝕影響的金屬材料；在鋁材方面，實心鋁材比絲網(wǎng)耐腐蝕，雖然其犧牲陽極保護效果十分有限，但可通過表面涂層和鈍化處理進行保護；非金屬材料可選擇玻璃纖維，織物應使用水容性的材料；開孔的橡膠或泡沫材料吸水，不能用在艙門密封或任何須提供一致操作力的機構。

2.2.2 哈勃太空望遠鏡水下模型

哈勃太空望遠鏡的多次修復作業(yè)大大延長了其使用壽命，充分體現(xiàn)了航天員出艙活動的重要作用。其大量的維修試驗和訓練在中性浮力模擬器中進行，包括開關望遠鏡表面的門，拆卸和安裝各儀器模塊和太陽電池板等。

哈勃太空望遠鏡水下模型中某些需操作更換的模塊在初期采用低逼真度模型，用以進行概念驗證測試。后而隨著測試改進，逐步提高模型逼真度，最終完成測試改進的高逼真度模型用于人員訓練，如圖4 所示。

圖4 軸向科學儀器低逼真度模型和高逼真度模型對比Fig. 4 Low fidelity and high fidelity model of axial scientific mockups

哈勃太空望遠鏡的內外表面都安裝有確保出艙作業(yè)順利進行的腳限位器插座、扶手和工具等。這些設施的位置和布局（見圖5）均需要通過反復的模擬試驗來確定。

圖5 哈勃太空望遠鏡上的腳限位器插座和扶手布局Fig. 5 Foot restraint sockets and handrail locations on the Hubble Space Telescope

2.2.3 國際空間站水下模型

中性浮力實驗室水槽長61.56 m、寬31.09 m、深12.18 m，可同時容納2 個乘員組使用實物模型來完成訓練任務，是美國目前唯一在用的航天員訓練設備，主要用于航天飛機、國際空間站的出艙活動硬件設計驗證試驗和航天員任務訓練。

圖6 為中性浮力實驗室水槽的典型模型配置，包括全尺寸的ISS 桁架、所有艙段（包括節(jié)點艙、俄羅斯艙段、氣閘艙和貨盤）、水下機械臂模型和日本HTV 貨運飛船。根據(jù)特定的試驗目標會適當調整模型及其位置。

圖6 中性浮力實驗室水槽典型配置Fig. 6 Typical configuration of NBL

圖7 和圖8 為大型水下模型——國際空間站節(jié)點艙2 及其上的熱交換器工作點，艙段上設置了大量排水孔，以利于進出水。圖9 為中性浮力實驗室小型水下模型。安裝在艙段上的模擬件主要采用金屬材質，鋁質材料耐腐蝕性能相對較差，為了防腐及節(jié)約成本，低逼真度設備一般選用不銹鋼和鈦材料。需要進行中性浮力水下操作的工具采用非金屬材質，部分沒有進行中性浮力配平的工具采用金屬材質。

圖7 中性浮力實驗室大型模型——國際空間站節(jié)點艙2Fig. 7 NBL’s large mockup example - ISS node module 2

圖8 中性浮力實驗室大型模型——國際空間站節(jié)點艙2 的熱交換器工作點Fig. 8 NBL large mockup example - heat exchanger worksites of ISS node module 2

圖9 中性浮力實驗室小型模型Fig. 9 Small hardware mockup example of NBL

對于水下模型，中性浮力實驗室規(guī)定了詳細的模型逼真度分級，如表1 所示。

表1 NASA 中性浮力實驗室模型逼真度分級Table 1 Classification of mockup fidelity for NASA's NBL

表1 中的各級別含義如下：

物理級別Ⅰ（一類模型典型用于支持乘員訓練和工程驗證）

1）飛行裝配公差：定制為飛行尺寸規(guī)格。

2）相似材料：使用與飛行材料相同類別和特性的材料，比如金屬類的用金屬，塑料類的用塑料，織物類的用織物，但無須相同等級或規(guī)格。

3）精確配置：外觀與飛行產(chǎn)品一致（包括尺寸、形狀、顏色、方向和位置等）。

物理級別Ⅱ（二類模型典型用于乘員熟悉和設計研制）

1）寬松裝配公差：不堅持飛行尺寸規(guī)格，差額由程序指定。

2）混合材料：一般與飛行材料具有相同的特性，但不必是相同類別、等級或規(guī)格，應優(yōu)化選擇以支持預期的功能。

3）近似配置：外觀與飛行產(chǎn)品相似（如尺寸、形狀、顏色、方向和位置等）。

物理級別III（三類教練模型典型用于乘員接口）

1）近似尺度：尺度與乘員體量近似。

2）可選材料：材料選用以簡易為目的。

3）候選配置：根據(jù)試驗需求配置。

2.3 國內飛行器水下模型

為保障“神舟七號”出艙活動任務水下訓練和驗證的需求，國內研制了氣閘艙水下模型（見圖10），用于對航天員出艙活動操作、程序以及氣閘艙工效學設計進行驗證。

圖10 “神舟七號”氣閘艙模型Fig. 10 Airlock mockup of Shenzhou-7 spaceship

氣閘艙模型殼體結構以氣閘艙正樣狀態(tài)為依據(jù)，艙內設備的尺寸和布局與正樣狀態(tài)一致，其艙體放置在支架車上，可實現(xiàn)起吊、停放等功能，艙體可沿軸線旋轉。艙門采用了真實產(chǎn)品，艙體上增加了排水孔和配浮裝置，以實現(xiàn)水下減阻和中性浮力。

3 水下機械臂

國外研制的水下機械臂一般是為了模擬相應空間機械臂的某些功能，用于完成與空間機械臂有關的試驗和訓練任務?？臻g機械臂主要用于空間站的組裝、設備的取放及控制操作、外部設備監(jiān)視以及航天員艙外活動輔助等，一般包括安裝基座、臂架結構、末端執(zhí)行器以及控制系統(tǒng)。目前比較成熟的空間機械臂有：國際空間站上最大的機械臂—由加拿大研制的空間站機械臂系統(tǒng)（Space Station Remote Manipulator System, SSRMS）及航天飛機機械臂系統(tǒng)（Shuttle Remote Manipulator System,SRMS）；俄羅斯在國際空間站服務艙和“和平號”空間站上使用的“箭頭號”（Strela）機械臂。以上3 種機械臂（見圖11）均研制了相應的水下機械臂，下面分別予以介紹。

圖11 國外空間機械臂Fig. 11 Space remote manipulator systems abroad

3.1 NASA 水下機械臂

中性浮力模擬器的水下機械臂系統(tǒng)（underwater remote manipulator system, underwater RMS）主要用于空間站機械臂系統(tǒng)的前期試驗，見圖12。該水下機械臂為電力驅動，由于水下有受試人員和潛水員工作，為保證人員安全，采用了防水電接頭。防水接頭可通過內部加壓防止電器件進水，較好地解決了水下密封和水下安全性的問題。

圖12 中性浮力模擬器的水下機械臂系統(tǒng)Fig. 12 Underwater RMS of Neutral Buoyancy Simulator

NASA 在中性浮力實驗室水槽中建造了全尺寸的航天飛機機械臂系統(tǒng)和空間站機械臂系統(tǒng)的水下機械臂，見圖13。

圖13 中性浮力實驗室中的航天飛機機械臂系統(tǒng)和空間站機械臂系統(tǒng)模型Fig. 13 Shuttle RMS and space station RMS mockups of NBL

中性浮力實驗室中當前在用的兩個水下機械臂具有如下特點：

1）兩個水下機械臂系統(tǒng)均為全尺寸模型，其可變關節(jié)數(shù)量、角度與空間機械臂相同，能夠準確模擬空間機械臂的運行。

2）機械臂基座都在水下——水下航天飛機機械臂系統(tǒng)模型一般安裝在水下貨物艙一側；水下空間站機械臂系統(tǒng)模型沒有按照真實狀態(tài)安裝到艙體上，而是安裝在一個獨立的水下支架上，參見圖13。

3）水下機械臂采用鈦合金制作，以保證剛度、減小質量，同時兼具防腐能力。

4）當前水下機械臂采用水壓驅動，相比最初的電力驅動方式，在增加功率密度的同時消除了驅動部件發(fā)生漏電的風險，增強了安全性和耐用性。

5）水下空間站機械臂系統(tǒng)末端執(zhí)行器僅為外形模擬件，沒有遠控捕獲功能。

6）水下機械臂的運動控制在機械臂控制室內完成，控制室內有3 臺監(jiān)視水下情況的監(jiān)視器以及2 個與真實機械臂控制器相似的手動控制器，如圖14 所示。

圖14 中性浮力實驗室的機械臂運動控制站點Fig. 14 Station of NBL for controlling the motion of manipulator system

3.2 俄羅斯水下機械臂

俄羅斯加加林中心水槽中使用的水下機械臂模擬的是“和平號”空間站上使用的“箭頭號”機械臂，其基座位于氣閘艙頂部，可進行二自由度擺動，足以覆蓋“和平號”空間站上所有的主要艙段。該水下機械臂采用單段臂架，臂架可伸縮，由多節(jié)可伸縮圓柱體與1 節(jié)固定圓柱體構成，每隔一定距離安裝1 個用于配平的浮力塊，以抵消重力，減小人員操作力，見圖15。

圖15 加加林中心水槽中使用的機械臂Fig. 15 Manipulator system used at neutral buoyancy facility of Gagarin Astronaut Center

該水下機械臂為手動人力操控，與空間機械臂的構型、操作方法、操作界面一致。不具備主動轉移航天員功能，也不支持航天員站在末端定點操作。其工作模式如下：

1）航天員A 在基座處，用手搖動機械臂伸出臂桿，將位于機械臂末端的航天員B 運送到目的地附近；

2）B 下機械臂后固定好機械臂末端，A 借助六角形滑環(huán)沿臂桿自行滑行到目的地附近下機械臂；

3）A 和B 在艙壁安裝腳限位器，然后進行艙外作業(yè)；

4）艙外作業(yè)結束后，先由B 借助六角形滑環(huán)沿臂桿滑行返回基座處；

5）B 返回后再用手搖動機械臂收回臂桿，幫助位于機械臂末端的A 返回。

4 結束語

美/俄及我國的載人航天發(fā)展歷程表明，水下試驗模型是出艙活動訓練和試驗的必備條件，其設計加工既要模擬真實的人機界面，滿足操作真實感，也要在選材、工藝處理、活動機構設計等方面滿足水下環(huán)境的要求。梳理美/俄兩國水下模型的設計研制歷程，本文總結出以下在我國后續(xù)相關設備設計中可借鑒的經(jīng)驗：

1）水下模型應與出艙活動相關的載人航天器同步設計和研制，以便充分開展航天器的工程驗證、評價試驗以及人員水下訓練，保證出艙活動任務的成功。

2）航天器人機界面模擬真實準確是進行模擬失重水下試驗的必要條件；航天器產(chǎn)品水下模型可根據(jù)試驗訓練操作及功能模擬需求進行逼真度分級，以簡化設計建造過程。

3）大型航天器模型應進行分段設計，不僅有利于吊裝轉運，也可提高使用靈活性。

4）水下機械臂的自由度和驅動方式應根據(jù)實際需求進行設計。美國的水下機械臂外形、自由度、關節(jié)可變角度與空間機械臂基本一致，驅動方式根據(jù)使用環(huán)境做了特殊設計，機械臂的固定方式和位置與空間機械臂不同；俄羅斯水下機械臂在外形、自由度、關節(jié)可變角度、驅動方式及安裝方式上都與空間機械臂基本一致，且進行了浮力配平，以利于人員水下手動操作。

5）航天器水下模型使用頻度高、時間久，必須重視對材料的選擇和防腐設計，尤其是金屬材料，應盡量選擇鈦、不銹鋼及鋁材等耐腐蝕金屬。