載人航天器艙外在軌維修設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

易予生 李立凌 羅鵬 朱珂 范高潔 王愛(ài)國(guó) 徐起 李志海

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

隨著載人航天器在軌飛行時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)逐漸成為其總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，而載人航天器在軌維修是實(shí)現(xiàn)載人航天器長(zhǎng)壽命、高可靠性、高安全性的必要手段[1]。俄羅斯和平號(hào)(Mir)空間站設(shè)計(jì)壽命為5年，通過(guò)航天員在軌維修和更換設(shè)備的工作，使其實(shí)際在軌運(yùn)行15年之久。在和平號(hào)運(yùn)行后期，航天員用于設(shè)備維護(hù)和排除各種故障的時(shí)間約占整個(gè)工作時(shí)間的80%?！皣?guó)際空間站”(ISS)設(shè)計(jì)壽命15年，經(jīng)維修可延壽至20年。2000-2005年，航天員共進(jìn)行了4000多小時(shí)的維修，平均每天開(kāi)展約2 h的維修活動(dòng)。在天空實(shí)驗(yàn)室(Sky Lab)空間站后3次近9個(gè)月的載人飛行中，曾出現(xiàn)太陽(yáng)電池、熱控系統(tǒng)、自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)等大小數(shù)百次故障，大多數(shù)故障都是通過(guò)航天員在軌維修排除。由此可見(jiàn)，在軌維修是保證長(zhǎng)壽命載人航天器在軌運(yùn)行、提高系統(tǒng)可靠性必不可少的手段[2-3]。依據(jù)國(guó)外載人航天技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)入中長(zhǎng)期載人航天階段后，人的積極參與對(duì)提高載人航天器的可靠性、安全性及有效延長(zhǎng)在軌壽命問(wèn)題越來(lái)越重要。因此，在載人航天器開(kāi)始方案論證階段就必須把在軌設(shè)備的可維修性技術(shù)作為重要考慮和研究的技術(shù)課題[4]。

我國(guó)的載人航天器在軌工作時(shí)間由幾天逐步延長(zhǎng)至幾年、十幾年，在航天員的參與下，載人航天器艙內(nèi)外設(shè)備的維修更換給航天器的長(zhǎng)壽命提供了途徑。進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)，可以保障空間站可靠安全運(yùn)行，提高平臺(tái)效能和空間站應(yīng)用效益，延長(zhǎng)使用壽命[5]。本文提出了我國(guó)載人航天器艙外在軌可維修性技術(shù)解決途徑，針對(duì)我國(guó)大型載人航天器艙外攝像機(jī)在軌維修需求，對(duì)艙外攝像機(jī)的標(biāo)志、維修操作機(jī)械接口、維修操作電接口、航天員抓握、失重狀態(tài)下防飄動(dòng)等方面開(kāi)展了維修性設(shè)計(jì)。對(duì)艙外攝像機(jī)的維修過(guò)程開(kāi)展了仿真分析，并通過(guò)航天員出艙任務(wù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 可維修性技術(shù)解決途徑

按照系統(tǒng)科學(xué)思想和人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程理論，任何一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)不可靠性并不是所有要素本身不可靠，而是由于各要素之間的聯(lián)系或溝通存在缺陷，或是整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在缺陷?？删S修性技術(shù)在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，工作中人為失誤產(chǎn)生的原因主要有人的固有因素、維修工作難度大、周圍環(huán)境條件等[6]。相比在密封艙內(nèi)的可維修性技術(shù)，航天員在艙外進(jìn)行可維修性工作的難度和危險(xiǎn)性高很多。除了包括在軌時(shí)艙內(nèi)可維修性技術(shù)難點(diǎn)，航天員在艙外進(jìn)行更換和維修設(shè)備時(shí)還要面臨以下難點(diǎn)：①身穿艙外航天服，行動(dòng)及操作不便；②艙外的操作工具需要與航天服或航天器結(jié)構(gòu)之間具有防脫環(huán)節(jié)；③艙外操作時(shí)拆下的緊固件要能安全可靠地回收，以免對(duì)航天器造成安全隱患；④受艙外航天服帶氣量的約束，艙外維修的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)[7-8]。為此，應(yīng)該盡可能地提高維修工作中人的操作技能，提高未來(lái)可發(fā)展的載人航天器上產(chǎn)品的可維修性，開(kāi)發(fā)在軌維修專用工具。因此，對(duì)于載人航天器艙外設(shè)備，提出了以下可維修性技術(shù)解決途徑。

(1)設(shè)備代號(hào)和中文名稱采用標(biāo)準(zhǔn)黑體(或等寬體)。字高、字寬、對(duì)比度簡(jiǎn)明、可視，滿足觀察要求。

(2)機(jī)械接口采用倒角設(shè)計(jì)，設(shè)備外露表面消除毛刺。把手的尺寸和形狀便于航天員單手抓握，手柄表面具有防滑措施，截面不使用圓形截面設(shè)計(jì)，確保航天員抓握穩(wěn)定。把手安裝后滿足穩(wěn)定性要求。

(3)航天員穿著艙外航天服戴艙外手套加壓40 kPa后，手繞腕關(guān)節(jié)做上屈、下屈、左屈和右屈運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的最大包絡(luò)空間如圖1所示，抓握范圍如圖2所示[9-10]。插頭、插座電接口的尺寸需符合航天員穿著航天服后的手部操作及活動(dòng)空間需求，具備防插錯(cuò)措施，標(biāo)志明確清晰。

圖1 穿艙外航天服后手部活動(dòng)空間示意Fig.1 Hand movement space after wearing space suit

圖2 穿艙外航天服后航天員抓握范圍Fig.2 Astronaut grip range after wearing space suit

(4)設(shè)備本體和操作工具、電纜設(shè)計(jì)采取防飄措施。

下面以載人航天器艙外攝像機(jī)為例，對(duì)艙外設(shè)備的維修性設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

2 維修性設(shè)計(jì)

載人航天器艙外攝像機(jī)是一種高清圖像采集裝置，如圖3所示。艙外攝像機(jī)整機(jī)由4個(gè)可見(jiàn)光鏡頭和攝像機(jī)機(jī)身組成，其中，攝像機(jī)機(jī)身為上下2層模塊層疊的結(jié)構(gòu)形式，機(jī)身上下層殼體均為整體切削加工而成。艙外攝像機(jī)主要從標(biāo)志、機(jī)械接口、電接口、航天員抓握、防飄等方面開(kāi)展維修性設(shè)計(jì)。

2.1 標(biāo)志設(shè)計(jì)

為了便于航天員識(shí)別不同設(shè)備及操作接口，順利開(kāi)展在軌維修操作，攝像機(jī)的標(biāo)志設(shè)計(jì)共有2處，分別在單機(jī)的頂部蓋板菱形框中和單機(jī)的中部斜面上。攝像機(jī)頂部蓋板菱形框中的標(biāo)志見(jiàn)圖4，共有3排文字。單機(jī)中文標(biāo)志和連接器標(biāo)志，如圖5所示。該標(biāo)志設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明，經(jīng)航天員地面試驗(yàn)驗(yàn)證，1 m距離可視，可清晰辨識(shí)。

圖4 菱形框標(biāo)志Fig.4 Diamond frame identification

圖5 攝像機(jī)中文標(biāo)志Fig.5 Chinese logo of camera

2.2 維修操作機(jī)械接口設(shè)計(jì)

在確保產(chǎn)品機(jī)、電、熱性能可靠性的前提下，對(duì)艙外攝像機(jī)進(jìn)行了機(jī)械安全性設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備外露邊和外露角進(jìn)行了去毛刺、倒圓角處理。為了便于產(chǎn)品的快速拆卸和更換，攝像機(jī)產(chǎn)品采用松不脫螺釘拆裝方式，如圖6所示。航天員維修時(shí)使用艙外電動(dòng)工具將4個(gè)M5不脫出緊固裝置擰松即可完成拆卸。在拆裝操作時(shí)，螺釘墊片不會(huì)從攝像機(jī)本體上脫出，大大降低了在軌維修時(shí)操作螺釘?shù)膹?fù)雜程度，簡(jiǎn)化了航天員的維修操作。艙外電動(dòng)工具按照工效學(xué)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖7所示。經(jīng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證，航天員著艙外航天服戴艙外手套加壓狀態(tài)，利用艙外電動(dòng)工具可順利完成4個(gè)M5不脫出緊固裝置的擰松和擰緊操作。

圖6 松不脫螺釘設(shè)計(jì)Fig.6 Design of captive screw

圖7 艙外電動(dòng)工具設(shè)計(jì)Fig.7 Design of extravehicular power tools

2.3 維修操作電接口設(shè)計(jì)

為了便于航天員在艙外徒手對(duì)艙外攝像機(jī)連接器進(jìn)行插拔操作，攝像機(jī)采用了我國(guó)為艙外設(shè)備維修專門研制的JYH矩形連接器(1個(gè))，該連接器集供電、信號(hào)線于一體，插座設(shè)計(jì)也便于航天員戴艙外手套下抓握，大大簡(jiǎn)化了航天員的操作。連接器插合操作時(shí)，單手按住插頭兩側(cè)的鎖緊卡鉤手柄，使卡鉤張開(kāi)，將插頭插入到插座中，完成連接器的插合，觀察插合到位標(biāo)志和輔助插合到位標(biāo)志，確認(rèn)連接器插合到位，如圖8所示。分離操作時(shí)，單手按住插頭的A點(diǎn)和B點(diǎn)，完成第1步操作，待卡鉤完全分開(kāi)后，沿圖所示箭頭方向發(fā)力，完成第2步操作，即可將插頭拔出，完成連接器的分離操作，如圖9所示。

圖8 插合操作示意Fig.8 Schematic diagram of insertion operation

圖9 分離操作示意Fig.9 Schematic diagram of separation operation

2.4 航天員抓握設(shè)計(jì)

為了在艙外攝像機(jī)拆下后方便航天員將攝像機(jī)可靠收回，同時(shí)保護(hù)攝像機(jī)鏡頭，在艙外攝像機(jī)表面設(shè)計(jì)2個(gè)凸臺(tái)，用于產(chǎn)品與維修把手固定。航天員出艙維修期間，攜帶1個(gè)維修把手，如圖10所示。艙外維修時(shí)，先將把手與待維修的故障設(shè)備進(jìn)行連接，把手底面為2個(gè)孔，與攝像機(jī)上表面突出的凸臺(tái)定位重合，把手自帶松不脫螺釘，使用松不脫螺釘工具將把手與攝像機(jī)進(jìn)行固定，如圖11所示。對(duì)于維修后安裝的備件，隨設(shè)備將把手安裝到位，航天員可不對(duì)把手進(jìn)行操作，產(chǎn)品安裝到位后，拆卸維修把手。

圖10 艙外攝像機(jī)維修把手設(shè)計(jì)Fig.10 Design of maintenance handle of extravehicular camera

圖11 安裝后的艙外攝像機(jī)維修把手Fig.11 Maintenance handle of extravehicular camera after installation

2.5 防飄設(shè)計(jì)

為避免攝像機(jī)在松不脫螺釘未緊固的情況下從安裝位置飄走，針對(duì)安裝位置限位靠邊設(shè)計(jì)4個(gè)防飄結(jié)構(gòu)，如圖12所示。產(chǎn)品安裝時(shí)，首先將產(chǎn)品上的R腳往對(duì)應(yīng)的防飄組件從上往下靠，使4處防飄組件能夠卡住單機(jī)的4個(gè)角，防飄組件上的簧片會(huì)產(chǎn)生阻力，壓緊產(chǎn)品安裝腳，使產(chǎn)品不會(huì)漂移，產(chǎn)品完全放到底即可松手。

圖12 艙外攝像機(jī)防飄結(jié)構(gòu)Fig.12 Anti-drift structure of extravehicular camera

3 仿真與在軌驗(yàn)證

艙外維修設(shè)計(jì)需要通過(guò)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證才能確保設(shè)計(jì)的合理性和可行性。為了驗(yàn)證本文提出的艙外在軌維修設(shè)計(jì)的有效性，首先，開(kāi)展了艙外攝像機(jī)的維修操作過(guò)程仿真驗(yàn)證，如圖13所示。航天員穿著航天服狀態(tài)下與攝像機(jī)周邊設(shè)備無(wú)干涉，驗(yàn)證了艙外攝像機(jī)安裝布局位置的可達(dá)性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證在真實(shí)艙體環(huán)境下航天員對(duì)攝像機(jī)維修操作的可行性，開(kāi)展了2次6批次航天員水下驗(yàn)證試驗(yàn)。對(duì)艙外攝像機(jī)的拆卸和安裝進(jìn)行了全流程維修驗(yàn)證，試驗(yàn)工作流程如圖14所示。圖15給出了水下試驗(yàn)過(guò)程。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：艙外攝像機(jī)的拆卸和安裝過(guò)程操作簡(jiǎn)便，航天服與艙體無(wú)干涉，維修性設(shè)計(jì)合理。

圖13 艙外攝像機(jī)維修過(guò)程仿真分析Fig.13 Simulation analysis of maintenance process of extravehicular camera

圖14 水下試驗(yàn)維修流程Fig.14 Maintenance procedure for underwater test

圖15 攝像機(jī)維修操作水下試驗(yàn)Fig.15 Underwater test of maintenance for camera

2021年7月4日8時(shí)11分，神舟十二號(hào)航天員乘組首次出艙，完成了艙外攝像機(jī)的抬升任務(wù)。實(shí)施過(guò)程中，進(jìn)行了電動(dòng)工具使用、松不脫螺釘拆裝、電連接器插拔等操作，均快捷、順利完成，如圖16和圖17所示。艙外攝像機(jī)維修后加電工作正常，驗(yàn)證了在軌維修操作設(shè)計(jì)的可行性及合理性。

圖17 航天員在軌插接攝像機(jī)接插件Fig.17 Pluging camera connector by astronaut in orbit

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)航天員艙外操作快捷和舒適度需求，對(duì)載人航天器艙外在軌可維修性設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述。結(jié)合我國(guó)大型載人航天器艙外攝像機(jī)在軌維修需求，開(kāi)展了艙外攝像機(jī)標(biāo)志、操作機(jī)械接口、電接口、航天員抓握、防飄等維修性設(shè)計(jì)。對(duì)艙外攝像機(jī)的維修過(guò)程開(kāi)展了仿真分析，最后通過(guò)航天員水下試驗(yàn)和出艙任務(wù)進(jìn)行了驗(yàn)證。本文艙外在軌維修設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，輕量化水平較高，便攜且易操作，人機(jī)工效性能較好，可為載人航天器設(shè)備的維修性設(shè)計(jì)提供參考。后續(xù)，可對(duì)艙外設(shè)備抓握和防飄設(shè)計(jì)的輕量化進(jìn)行進(jìn)一步研究。