大型載人航天器艙外試驗支持技術(shù)

李喆 羅文成 王蔡健 周濤

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2 上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

開展大規(guī)模的空間科學(xué)實驗與技術(shù)試驗是大型載人航天器的重要任務(wù)[1-6]。在大型載人航天器開展的空間科學(xué)實驗與技術(shù)試驗可分屬三大類,即密封艙內(nèi)試驗、非密封艙內(nèi)試驗和艙外試驗。艙外試驗主要研究內(nèi)容包括以下4個方面:①對地進行全球觀測和對“天(太陽系、銀河和宇宙)”進行天文探測;②探測空間環(huán)境(超高真空、微重力、來自太陽/銀河及宇宙中的各種輻射),研究空間物理學(xué)(日地環(huán)境、空間等離子體、磁場、高能粒子、原子氧、隕石);③航天工程材料、元部件和系統(tǒng)的性能檢驗;④空間生物學(xué)問題研究(輻射生物學(xué)、天體生物學(xué)和行星際生物的遷移等)[7]。

大型載人航天器配置了艙外試驗平臺,為艙外載荷提供標(biāo)準(zhǔn)的機械安裝、供電、信息、熱控等保障資源,特別在運輸飛船、航天員、貨物氣閘艙、機械臂配合下,可實現(xiàn)艙外載荷在軌安裝和回收,進而實現(xiàn)艙外載荷的在軌更迭和輪換,支持大型載人航天器運營期內(nèi)艙外試驗支持資源的重復(fù)使用、持續(xù)滾動開展多種學(xué)科類型的艙外試驗。本文就大型載人航天器艙外試驗平臺總體設(shè)計、對艙外載荷保障資源、應(yīng)用流程和地面驗證情況進行闡述,對在軌應(yīng)用情況進行介紹,并提出了后續(xù)應(yīng)用展望,可為后續(xù)工程應(yīng)用提供參考。

1 艙外試驗支持技術(shù)

1.1 艙外試驗平臺總體設(shè)計

依據(jù)能否通過貨物氣閘艙自動進出艙,將大型載人航天器艙外載荷分為標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷和大型艙外載荷兩種類型。其中標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷尺寸相對較小,可安裝在運輸飛船密封艙內(nèi)上行,并可通過貨物氣閘艙自動進出艙;大型艙外載荷尺寸相對較大,需安裝在運輸飛船開放式貨艙內(nèi)上行,無法進入密封艙。依據(jù)兩類艙外載荷的特點,分別設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺和大型艙外載荷試驗平臺,對艙外載荷試驗進行支持。

1)標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺

大型載人航天器在艙外對天面、對地面、迎風(fēng)面、背風(fēng)面均設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺,滿足不同指向類型的艙外載荷布置需求。單發(fā)大型載人航天器一般可支持20～30個標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷開展試驗。

標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺與標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷的接口設(shè)備為載荷適配器。載荷適配器分為主動端和被動端兩部分。載荷適配器主動端安裝在艙外載荷上,載荷適配器被動端安裝在試驗平臺上,通過載荷適配器主、被動端在軌鎖緊或解鎖實現(xiàn)艙外載荷在試驗平臺上的安裝或拆卸,同時實現(xiàn)試驗平臺對艙外載荷供電、信息、熱控流體回路(可選)的接通或斷開。載荷適配器根據(jù)是否具備為標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷提供流體回路散熱支持,分為載荷適配器I型(無流體回路散熱支持)和載荷適配器II型(有流體回路散熱支持)兩種。載荷適配器產(chǎn)品外形圖1所示。

圖1 載荷適配器外形圖Fig.1 Outline drawing of load adapter

標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷由載荷本體、載荷適配器主動端、機械臂目標(biāo)適配器組成。載荷本體尺寸受大型載人航天器對接通道通過性約束,長、寬最大為600mm,高最大為500mm,質(zhì)量最大為160kg。按照載荷適配器主動端、機械臂目標(biāo)適配器相對安裝位置,可分為對面安裝方式標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷、垂直安裝方式標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷,如圖2和圖3所示。

圖2 對面安裝方式標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷Fig.2 Standard extravehicular load of opposite installation method

圖3 垂直安裝方式標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷Fig.3 Standard extravehicular load of vertical installation method

2)大型艙外載荷試驗平臺

大型載人航天器艙外可設(shè)置大型艙外載荷試驗平臺,開展在軌試驗。

大型艙外載荷試驗平臺與大型艙外載荷的接口設(shè)備為停泊裝置。停泊裝置同樣分為主動端和被動端,如圖4所示。停泊裝置主動端安裝在艙外載荷上,被動端安裝在試驗平臺上,通過停泊裝置主、被動端在軌鎖緊或解鎖實現(xiàn)艙外載荷在試驗平臺上的安裝或拆卸,同時實現(xiàn)試驗平臺對艙外載荷供電、信息、熱控流體回路的接通或斷開。

圖4 停泊裝置外形圖Fig.4 Schematic diagram of mooring device

大型艙外載荷由載荷本體、停泊裝置主動端、機械臂目標(biāo)適配器組成。大型艙外載荷尺寸受運輸飛船開放式貨艙包絡(luò)約束,長最大為2000mm,寬最大為1650mm,高最大為1200mm,質(zhì)量最大為2000kg。大型艙外載荷上停泊裝置主動端、機械臂目標(biāo)適配器對面安裝,如圖5所示。

圖5 大型艙外載荷Fig.5 Large extravehicular load

1.2 對艙外載荷支持設(shè)計

1)供電支持

艙外試驗平臺為每個標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷和大型艙外載荷均提供1路直流供電支持,電壓為100V。

2)信息支持

艙外試驗平臺為每個標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷和大型艙外載荷均提供1路1553B總線接口和1路以太網(wǎng)接口的信息支持。

1553B總線接口用于傳輸控制指令、注入數(shù)據(jù)、部分數(shù)字量遙測和部分試驗數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)接口用于高速傳輸控制指令、注入數(shù)據(jù)、數(shù)字量遙測和試驗數(shù)據(jù)。

3)熱控支持

大型載人航天器設(shè)置艙外載荷流體回路,為安裝在載荷適配器II型上的標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷以及大型艙外載荷提供流體工質(zhì)散熱支持。

安裝在艙外試驗平臺載荷適配器I型上的標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷采用被動式散熱方式,通過在艙外載荷上開辟散熱面解決散熱問題。

4)進出艙支持

利用大型載人航天器的貨物氣閘艙、載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)等設(shè)備,在艙內(nèi)航天員、艙外機械臂操作配合下,自主完成標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷進出密封艙,如圖6所示。

圖6 貨物氣閘艙示意圖Fig.6 Schematic diagram of cargo airlock

貨物氣閘艙和載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)允許轉(zhuǎn)運貨物的最大質(zhì)量和包絡(luò)尺寸大于標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷的質(zhì)量和包絡(luò)尺寸。

載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)上可安裝載荷適配器被動端,標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷通過載荷適配器實現(xiàn)與載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)的連接或分離,如圖7所示。

圖7 載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷連接圖Fig.7 Load transfer mechanism and standard extravehicular load connection diagram

5)機械臂操作支持

(1)接口設(shè)備

機械臂與艙外載荷的接口設(shè)備為機械臂目標(biāo)適配器。機械臂通過抓取安裝在艙外載荷上的機械臂目標(biāo)適配器實現(xiàn)對艙外載荷的機械連接,并實現(xiàn)供電、1553B總線、圖像低壓差分信號(LVDS)接口通路的接通。

(2)轉(zhuǎn)運支持

機械臂一端抓取大型載人航天器艙壁上的機械臂基座,另一端抓取艙外載荷,通過各關(guān)節(jié)運動,實現(xiàn)艙外載荷在大型載人航天器艙外轉(zhuǎn)運[8-9]。

(3)電氣支持

機械臂操作艙外載荷過程中為艙外載荷提供以下3種類型電氣支持。

①供電支持:機械臂為艙外載荷提供1路直流供電支持,電壓為100V。供電母線接入載荷適配器/停泊裝置主動端,然后由載荷適配器/停泊裝置主動端分路后再轉(zhuǎn)移供電至艙外載荷本體。

②通信支持:機械臂為艙外載荷提供兩路1553B總線接口,分別用于傳輸艙外載荷本體和載荷適配器/停泊裝置主動端的總線指令、注入數(shù)據(jù)及數(shù)字量遙測數(shù)據(jù)。

③圖像傳輸支持:機械臂操作大型艙外載荷時,停泊裝置主動端配置視覺測量相機,具備成像功能,并將圖像數(shù)據(jù)通過LVDS接口傳輸至機械臂末端處理器,由機械臂末端處理器根據(jù)圖像數(shù)據(jù)解算視覺測量相機光軸相對于停泊裝置被動端上相機靶標(biāo)的位姿,用于機械臂操作大型艙外載荷安裝/拆卸過程中的視覺伺服閉環(huán)控制。

1.3 艙外試驗平臺應(yīng)用流程

標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷出艙安裝流程為:標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷安裝在運輸飛船密封艙內(nèi)運抵大型載人航天器→航天員打開貨物氣閘艙內(nèi)艙門→載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)伸入工作艙內(nèi)→航天員將標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷通過載荷適配器安裝在載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)上→載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)縮回至貨物氣閘艙內(nèi)→航天員關(guān)閉貨物氣閘艙內(nèi)艙門→貨物氣閘艙泄壓→貨物氣閘艙外艙門自動打開→載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)自動伸出將標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷送出艙外→機械臂抓取標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷→標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷通過載荷適配器與載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)解鎖→機械臂將標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷從載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)上取下→機械臂大范圍轉(zhuǎn)運標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷至標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺→機械臂控制載荷適配器主被動端捕獲→載荷適配器主被動端鎖緊→機械臂釋放標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷并撤離,如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷出艙安裝示意圖Fig.8 Standard extravehicular load installation diagram

大型艙外載荷在軌安裝流程為:大型艙外載荷安裝在運輸飛船貨艙運抵大型載人航天器→機械臂抓取大型艙外載荷→大型艙外載荷與運輸飛船上行連接機構(gòu)解鎖→機械臂將大型艙外載荷從運輸飛船貨艙取出→機械臂大范圍轉(zhuǎn)運大型艙外載荷至大型載人航天器艙外待安裝位置→停泊裝置主被動端捕獲并鎖緊→機械臂釋放大型艙外載荷并撤離。

艙外載荷在軌工作流程為:試驗平臺對艙外載荷供電、信息通道接通→艙外載荷流體回路對艙外載荷流體閥門接通→艙外載荷開展試驗→艙外載荷流體回路對艙外載荷流體閥門關(guān)閉→試驗平臺對艙外載荷供電、信息通道斷開。

艙外載荷在軌回收流程為安裝流程的逆過程。

2 地面驗證

2.1 綜合測試

地面綜合測試階段,開展以下艙外試驗平臺支持資源驗證工作。

(1)安裝互換性測試:利用多個載荷適配器/停泊裝置主動端,與艙上載荷適配器/停泊裝置被動端逐一對接、鎖緊。

(2)電氣接口測試:利用艙外載荷標(biāo)準(zhǔn)件,逐一對艙上載荷適配器/?？垦b置被動端輸出的供電、信息接口進行測試。

測試結(jié)果表明:艙外試驗平臺載荷適配器/?？垦b置被動端可支持后續(xù)上行艙外載荷在軌安裝,試驗平臺與艙外載荷間供電、信息接口匹配。

2.2 真空熱試驗

真空熱試驗期間,在載荷適配器II型被動端、載荷適配器I型被動端、停泊裝置被動端上分別安裝艙外載荷熱試驗件,對試驗平臺對艙外載荷熱支持資源進行測試。試驗結(jié)果表明,艙外載荷流體回路可正常將艙外載荷熱量散出,試驗平臺與艙外載荷間熱接口匹配。

2.3 機械臂操作艙外載荷專項試驗

在氣浮臺上開展了機械臂從載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)/開放式貨艙取下艙外載荷、機械臂轉(zhuǎn)運艙外載荷、機械臂在試驗平臺安裝艙外載荷全流程驗證(如圖9所示)[9],結(jié)果表明機械臂與艙外載荷間供電、1553B總線、圖像LVDS傳輸接口匹配,機械臂與載荷適配器/停泊裝置操作協(xié)同正確。

圖9 機械臂氣浮臺試驗Fig.9 Mechanical arm air flotation platform test

2.4 載荷進出艙專項試驗

開展了貨物氣閘艙載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)伸入工作艙、操作員安裝載荷、機構(gòu)縮回、關(guān)閉艙門、載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)轉(zhuǎn)動、外艙門開啟、載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)伸出艙外等全流程驗證,結(jié)果表明,貨物氣閘艙自動進出載荷時序設(shè)計合理,與進出艙載荷接口匹配,能夠完成載荷進出艙任務(wù)。

3 技術(shù)特點分析

1)智能化水平高

通過使用智能化的載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)、外艙門、機械臂和載荷適配器/停泊裝置,在無需航天員出艙的情況下,即可實現(xiàn)艙外載荷在密封艙內(nèi)外的自動轉(zhuǎn)移、在艙外大范圍自動轉(zhuǎn)運、在艙外試驗平臺上自動拆裝,有效避免了航天員出艙安裝載荷帶來的任務(wù)風(fēng)險和航天服壽命折損問題,節(jié)約航天員出艙活動所需的在軌工作時間和運營成本,極大提高了在軌應(yīng)用效率。

2)試驗支持能力強

得益于艙外載荷集成化、小型化設(shè)計,結(jié)合采用集中式艙外試驗平臺等技術(shù),單發(fā)大型載人航天器即可支持20～30個標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷在軌開展試驗,支持標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷的數(shù)量大于國際上同類型的大型載人航天器。同時大型載人航天器艙外試驗支持資源均采用了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計,保障艙外試驗項目可持續(xù)輪換和更替,最大限度發(fā)揮大型載人航天器應(yīng)用效能。

4 在軌應(yīng)用與展望

在軌開展了大型載人航天器標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷出艙安裝和回收進艙任務(wù),如圖10所示[10-11]。標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷在艙外試驗平臺安裝到位后,平臺對載荷供電、信息、熱控流體回路接通,載荷正常開展在軌測試和試驗。大型載人航天器艙外試驗支持技術(shù)完成了在軌驗證,可支持大規(guī)模艙外試驗持續(xù)開展。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷出艙安裝Fig.10 Installation of standard extravehicular load

此外,大型載人航天器艙外試驗支持資源還可應(yīng)用于在軌服務(wù)和在軌設(shè)施建造任務(wù)。例如,其他停靠大型載人航天器的在軌飛行器,可利用大型載人航天器的機械臂將?？匡w行器的部分模塊通過貨物氣閘艙轉(zhuǎn)運進艙,由航天員對進艙模塊進行維修維護;在大型載人航天器艙外空間天線、望遠鏡等復(fù)雜設(shè)施的在軌組裝建造過程中,可利用貨物氣閘艙將組裝模塊轉(zhuǎn)運出艙,由機械臂轉(zhuǎn)運安裝至艙外試驗平臺,在艙外試驗平臺上逐步完成大型設(shè)施組裝制造。

5 結(jié)束語

大型載人航天器艙外試驗支持系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷和大型艙外載荷為支持對象,提供標(biāo)準(zhǔn)化的安裝、供電、信息、熱控等支持資源,并可實現(xiàn)艙外載荷的自動部署和回收,保障大型載人航天器運營期內(nèi)艙外試驗項目持續(xù)輪換、重構(gòu)和擴展。經(jīng)地面和在軌飛行驗證表明,大型載人航天器艙外試驗支持技術(shù)設(shè)計合理,有利保證了艙外試驗任務(wù)的圓滿成功,具有工程實用價值。隨著載人航天事業(yè)的不斷發(fā)展,本文提出的艙外試驗支持能夠為后續(xù)的載人航天器型號提供有益的參考。