空間站夢天實驗艙構型與布局設計及驗證

李立春，柏合民，徐 磊，原 瀟，樓 俏，秦 凱，常世杰，吳 凱，朱俊杰

（上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

夢天實驗艙是天宮空間站三艙組合體的重要組成部分，主要任務是為航天員提供工作場所，為艙內外科學實驗提供支持，支持貨物進出艙和微小衛(wèi)星釋放。

天宮空間站基本構型以“積木式”為主，結合有限桁架結構，采用運載發(fā)射加對接轉位的方式實現空間站總體構型［1-3］。核心艙帶有節(jié)點艙，核心艙Ⅳ象限停泊口對接實驗艙Ⅰ，Ⅱ象限停泊口對接實驗艙Ⅱ，前向對接口及I 象限對接口可對接載人飛船，后向對接口對接貨運飛船，形成空間“十”字形構型［4-6］，構型如圖1 所示。在實驗艙Ⅰ、Ⅱ尾部，采用桁架結構，配置獨立的對日定向裝置和驅動機構，實現太陽電池翼二維對日定向。

圖1 空間站總體構型Fig.1 General configuration of the space station

本文結合空間站總體構型要求，針對夢天實驗艙任務需求，分析其對總體構型與布局的要求，從總體構型和布局出發(fā)，提出相關要求的技術解決途徑，并完成相關的技術驗證。結果表明，夢天實驗艙總體構型和布局，滿足飛行器任務對構型布局的要求，實現了夢天實驗艙相關任務指標。

1 任務分析

夢天實驗艙作為空間站艙段之一，其主要任務是支持載荷空間科學實驗和貨物自動進出艙，發(fā)射時，需滿足長征五號B 運載火箭發(fā)射質量和整流罩內包絡尺寸約束要求，從其任務特點和約束條件得出對構型與總體布局的設計要求。

1）區(qū)別于衛(wèi)星專門任務中的指定有效載荷，空間站應用系統的有效載荷較多且需更換［7］。對此構型布局設計時，充分利用整流罩包絡，最大限度地發(fā)揮夢天艙單次發(fā)射的效益；另外在保證平臺可行的前提下，一方面通過標準接口約束載荷［8］；另一方面在構型布局設計時，盡量確保具備適應不同載荷需求的靈活性。

2）運載整流罩有限包絡與艙體大直徑結構之間存在空間矛盾，勢必在進行艙外外伸設備布局時受限。因此，一方面，對單機設備提出尺寸約束要求，必要時在代價可接受的前提下采用發(fā)射時收攏、入軌后展開的設計方式；另一方面，在構型布局設計時，留有一定的小直徑結構區(qū)域，保證大尺寸的外伸部件（如大型柔性太陽翼）的布局空間［9］。

3）對于23 t 大質量，長度近18 m 大尺寸的飛行器，在構型布局時，一方面通過構型設計，在滿足運載火箭整流罩內包絡的前提下，使得靠近運載對接面的構型直徑盡量大，以提高整艙剛度［10-12］；另一方面，盡量將大質量的設備布置在靠近運載對接面，以降低質心提高基頻［13-15］。

4）對于大質量、大尺寸、多任務的載人航天器，通過分艙段的設計思路實現［16］。在構型布局設計時，盡量使每個艙段功能集中，便于分艙實施總裝、試驗和測試。設備布局不僅要考慮地面的維修性和操作性要求，還須滿足在軌航天員操作工效學要求和維修性要求［17-19］。

2 總體構型與布局設計

2.1 總體構型設計

夢天實驗艙總體構型如圖2 所示。由圖2 可知，實驗艙分為工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙及資源艙4 個艙段，總長17.88 m。工作艙主要提供航天員生活、工作和娛樂的密封空間，安裝艙內應用載荷及平臺設備。貨物氣閘艙，主要支持載荷通過貨物氣閘艙進出密封艙。載荷艙設置展開式暴露平臺，集中支持安裝艙外載荷。資源艙主要安裝推進劑貯箱、姿軌控發(fā)動機等推進分系統主要設備，以及驅動機構、桁架及太陽翼等電源分系統主要設備，為整艙提供動力和能源，并支持少量暴露載荷。

圖2 夢天實驗艙總體構型Fig.2 General configuration of the Mengtian lab module

夢天實驗艙發(fā)射時采用“倒打”方式，即發(fā)射狀態(tài)時，頭部的工作艙在下與運載對接面連接，尾部的資源艙在上。夢天實驗艙與運載分離入軌后，再偏航180°，將姿態(tài)調整為工作艙在前，資源艙在后。夢天實驗艙發(fā)射狀態(tài)構型如圖3 所示，Ⅰ、Ⅲ象限的可展開暴露平臺處于關閉鎖緊狀態(tài)，太陽翼為收攏狀態(tài)，壓緊在資源艙艙壁外。

圖3 夢天實驗艙發(fā)射狀態(tài)總體構型Fig.3 General configuration of the launch state of the Mengtian lab module

夢天實驗艙發(fā)射入軌后，在與空間站對接前先獨立飛行，該狀態(tài)下的總體構型如圖4 所示。太陽翼一次展開，翼展約24 m。此時太陽翼能繞自身軸線連續(xù)旋轉，夢天實驗艙具備一維對日能力。

圖4 夢天實驗艙獨立飛行狀態(tài)總體構型Fig.4 General configuration of the independent flight status of the Mengtian lab module

空間站組合體期間，夢天實驗艙停泊組裝在核心艙Ⅱ象限停泊口，如圖5 所示。該狀態(tài)下，太陽翼完全展開，翼展約為60 m。此時太陽翼既能繞自身軸線，又能繞艙體軸線轉動，夢天實驗艙具備二維對日定向。同時，載荷艙的可展開暴露平臺展開到位。

圖5 夢天實驗艙組合體狀態(tài)總體構型Fig.5 General configuration of the Mengtian lab module assembly

2.2 布局設計

根據夢天實驗艙的任務特點和整艙構型設計，將整艙規(guī)劃出若干個區(qū)域，如圖6 所示。工作艙柱段艙內分為平臺設備區(qū)、航天員鍛煉區(qū)、儲物區(qū)、儀表顯示區(qū)、載荷機柜上行區(qū)、載荷支持設備區(qū)和其他載荷預留上行區(qū)等，如圖7 所示。

圖6 夢天實驗艙布局區(qū)域規(guī)劃Fig.6 Regional planning of the Mengtian lab module layout

圖7 夢天實驗艙艙內工作活動區(qū)區(qū)域布局Fig.7 Layout of the work activity area in the Mengtian lab module

工作活動區(qū)為艙內方形通道，作為航天員在軌工作和活動空間；儀器設備區(qū)周向根據艙體4 個象限分為4 個部分，用于布置平臺設備和應用載荷；儀器設備區(qū)沿軸向根據布局對象的類型劃分為若干個功能區(qū)域。工作艙后錐段處對接有貨物氣閘艙，供艙外載荷進出艙使用。載荷艙Ⅰ象限對地面與Ⅲ象限對天面規(guī)劃2 個暴露載荷區(qū)域，為暴露載荷A 區(qū)和暴露載荷B 區(qū)。資源艙錐段Ⅰ象限對地面設置暴露載荷C 區(qū)。

平臺設備布局規(guī)劃主要根據整艙構型、分系統功能和布局要求，主要分為密封區(qū)域和非密封區(qū)域，非密封艙又分為艙內和艙外。

夢天實驗艙規(guī)劃工作艙內提供13 個標準載荷裝載空間。工作艙內應用系統二次流體回路、氣路設備、應用信息主機及載荷配電器設備的布局空間，不超過1 個標準載荷實驗柜安裝空間，資源艙安裝太陽電池翼和中繼天線。

2.3 主要技術特點

夢天實驗艙構型契合空間站總體構型要求，滿足“技術先進、時代特征、中國特色”的要求。其主要技術特點如下。

1）配置專用的貨物氣閘艙。

為轉移貨物，貨物氣閘艙內安裝載荷轉移機構，設置內艙門和電動外艙門，具有氣閘功能。貨物出艙時，外艙門關閉，內艙門打開，載荷轉移機構伸長至工作艙艙內；航天員安裝載荷，載荷轉移機構帶載荷縮回到氣閘艙內；航天員關閉內艙門，載荷轉移機構旋轉90°，伸出方向對外艙門。氣閘艙泄壓后，地面發(fā)送指令打開電動外艙門，載荷轉移機構伸長將載荷送出，由機械臂取走。載荷進艙過程反之。通過配置專用貨物實現空間站出艙活動“人貨分離”的設計，提高貨物出艙效率，并大大減少了航天員的工作量。

2）采用雙層嵌套結構和可展暴露平臺設計。

載荷艙和貨物氣閘艙形成雙層艙體嵌套結構，載荷艙在外，對天、地方向各設有1 個平板型可展開暴露試驗平臺，在軌展開后露出貨物氣閘艙對地方向的電動外艙門，機械臂可從氣閘艙自動取放貨物。在保證整艙剛度和強度的前提下，減少貨物進出艙過程的氣體損耗，同時增加艙外載荷的布局空間。

3）太陽翼二維對日定向的構型設計。

2 個大型柔性太陽翼的收攏狀態(tài)下，布置在資源艙的II 和IV 象限，太陽翼主體安裝于鉚接艙艙壁，太陽翼根部連接于桁架上的β 驅動機構。α 驅動機構布置在鉚接艙后端面，其固定端與鉚接艙固連，轉動段與桁架連接。桁架上布置2 個同軸的β 驅動機構，分別在桁架II 和IV 象限。α 驅動機構與2 個β 驅動機構軸線正交，形成二維對日定向。可在空間站組合體姿態(tài)不變的情況下，實現空間任意方向的對日定向，保證太陽電池翼的最大發(fā)電效率。

3 設計驗證

根據總體任務要求和構型布局設計原則，確定夢天實驗艙的構型與總體布局設計。通過仿真與試驗等手段，驗證整個構型和總體布局的設計。

3.1 模態(tài)試驗

為驗證平臺主結構的剛度特性，對整艙模型進行整艙模態(tài)分析，得到整艙模態(tài)計算結果，橫向Ⅰ階頻率為5.2 Hz，縱向Ⅰ階頻率為21.0 Hz，Ⅰ階振型如圖8 所示。整艙進行專項模態(tài)試驗，得到整艙的橫向Ⅰ階頻率為5.3 Hz，縱向Ⅰ階頻率為21.4 Hz。試驗結果表明，結構設計滿足運載火箭對整艙的剛度要求，且上述頻率分析結果與力學試驗結果基本吻合，證明了仿真分析的正確性。

圖8 夢天實驗艙Ⅰ階振型Fig.8 First-order vibration mode of the Mengtian lab module

3.2 振動試驗

為了驗證夢天實驗艙的動力學特性，開展工作艙-氣閘艙組合體振動試驗、載荷艙-資源艙組合體振動試驗、整艙滿箱和空箱不同狀態(tài)的振動試驗及噪聲試驗，試驗表明，整艙的動力學響應均滿足設計要求。夢天實驗艙正樣艙通過驗收級振動試驗，試驗結果如圖9 所示。通過運載火箭發(fā)射段的力學環(huán)境考核，其在軌工作狀態(tài)正常。

圖9 夢天實驗艙振動試驗結果Fig.9 Vibration test results of the Mengtian lab module

3.3 貨物進出艙驗證

為了驗證貨物進出艙任務設計的正確性和可靠性，開展載荷轉移機構機械組件運動試驗、外艙門開關試驗，以及貨物自動進出艙全流程驗證試驗，驗證產品的可靠性和載荷進出艙工作時序設計的正確性。入軌后貨物進出艙工作的順利開展，進一步驗證了構型設計的合理性。

3.4 暴露平臺展開驗證

暴露平臺在地面經過多次帶總裝電纜及管路狀態(tài)的展開試驗，驗證了其展開的可靠性。夢天艙在軌完成轉位后，暴露平臺順利展開鎖定到位，科學試驗載荷在暴露平臺的安裝和取下，驗證了平臺結構和載荷布局設計的合理性。

3.5 太陽電池翼的抬升驗證

太陽電池翼裝艙后，開展小角度抬升試驗，試驗結果正常，驗證了安裝接口和運動包絡與艙體的匹配性。太陽翼經過運載火箭發(fā)射段的力學環(huán)境考核，一次展開和二次展開均順利完成，驗證了太陽電池翼安裝布局設計的合理性。

3.6 整體式載荷機柜安裝驗證

單個整體載荷機柜質量約為500 kg，與艙體采用標準6 點安裝接口?？傃b時，采用地面大質量設備進艙工裝將機柜送至艙內，并將其安裝于對應工位。各工位機柜通過平臺角格梁系安裝，角格梁之間布置有立桿和斜拉桿，將機柜的載荷傳遞至工作艙框和壁板上。整艙力學試驗對大尺寸重載設備集中安裝布局的狀態(tài)進行動力學驗證，機柜動力學響應滿足設計要求。經過運載火箭發(fā)射段的力學環(huán)境考核，在軌工作正常。

3.7 設備布局的工效學驗證

夢天實驗艙上的設備在軌需要航天員操作和維修。設備布局經過仿真分析，如圖10 所示，以及維修性試驗和水下試驗，全面驗證了操作空間、輔助裝置設置等工效學要素設計的合理性。航天員出艙對艙外設備的操作均能順利完成，進一步驗證了布局設計的合理性。

圖10 航天員工效學仿真Fig.10 Astronaut ergonomic simulation

4 結束語

總體構型與布局設計是夢天實驗艙完成任務的重要保證，直接影響夢天實驗艙功能和性能的實現，其設計合理性對實現型號研制、降低成本、提升研制效率具有重要作用［20］。圍繞貨物自動進出艙和載荷科學試驗支持任務需求，結合天宮空間站整站的構型要求，本文提出夢天實驗艙的整體構型、設備和載荷的布局設計方案。整艙構型匹配了空間站整站雙自由度對日定向的構型要求，雙艙嵌套構型解決了貨物進出艙通道和暴露載荷試驗空間問題，布局設計較好地滿足系統總體及載荷系統的任務要求。夢天實驗艙的成功發(fā)射及在軌穩(wěn)定運行，是對構型與布局設計的全方位驗證，平臺的布局設計、結構設計、總裝實施的便捷性、機構運動和航天員工效學設計均得到有效驗證，可為同類型航天器的總體構型與布局設計提供參考。