開閉式充排氣口蓋裝置技術(shù)研究

賈磊　王悅　張濤　彭波　張慶利

摘 要：充排氣口蓋裝置是實現(xiàn)航天器艙內(nèi)外壓力平衡的主要機械裝置。文章提出一種有源驅(qū)動的可重復開閉式充排氣口蓋裝置，以開閉速度快、可靠性高、剛度高、重復使用性好為目標，完成了機電一體化機械裝置方案設(shè)計，并通過仿真分析與計算驗證了方案的可行性與合理性。

關(guān)鍵詞：充排氣口蓋；開閉式；有源驅(qū)動

中圖分類號：V444 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）04-0049-02

Abstract： Air-bleed cover switching mechanism is a kind of pressure balance mechanism for various spacecraft between inside and outside cabins. A reusable active driving air-bleed cover switching mechanism is proposed in this paper. The advantages of this mechanism include rapid response， high stiffness， high reliability， and good reusable performance. The feasibility and rationality of the design scheme is validated through simulation analysis.

Keywords： air-bleed cover； switching mechanism； active drive

引言

隨著航天器技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著返回式衛(wèi)星、載人飛船、航天飛機、空間站等空間裝備的發(fā)展，壓力控制對于保障航天器的正常運行與安全回收具有重要意義。將航天器看做一個壓力容器，其壓力控制分為以下三種情況：一種是高真空容器，要求達到高的極限真空；另一種是低真空容器，氣壓只要減小到能夠自如打開氣閘或門窗；第三種是恒壓容器，通過向外排氣保持一定的工作氣壓[1]。其中，第一種情況多用于空間科學高真空試驗，第三種情況多用于航天器的有效載荷技術(shù)保障和生命環(huán)境保障。如返回式衛(wèi)星密封艙，其壓力控制系統(tǒng)為艙內(nèi)創(chuàng)造了合適的壓力環(huán)境條件，使艙內(nèi)的儀器設(shè)備免受外界大氣壓力變化和真空環(huán)境的影響[2]。本文研究的充排氣口蓋裝置，則用于第二種情況，用于平衡航天器艙內(nèi)外壓力，降低壓差載荷對結(jié)構(gòu)強度的要求，為航天器各類艙門的順利開閉提供便利條件。

充排氣口蓋裝置需要能夠根據(jù)外界環(huán)境與氣壓變化實現(xiàn)多次打開與關(guān)閉，在航天器各飛行階段平衡艙內(nèi)外壓力，其對可靠性、重量、體積、功耗均有很高的要求。本文針對開閉式充排氣口蓋裝置技術(shù)，提出了一種基于有源驅(qū)動的可重復開閉式充排氣口蓋裝置方案，完成了仿真分析與計算驗證，旨在為推動航天器壓力控制應(yīng)用技術(shù)發(fā)展提供支撐。

1 方案設(shè)計

充排氣口蓋裝置整體采用雙口蓋同步驅(qū)動對開式構(gòu)型。整套裝置由電機、減速器、齒輪、絲杠、直線導軌、滑塊、壓桿、壓塊、拉簧、碟簧及口蓋等組成，如圖1所示。整套驅(qū)動裝置布置在兩個充排氣口蓋的中間，驅(qū)動動力源由兩套直流電機組成，兩套電機互為冗余，聯(lián)合驅(qū)動兩個口蓋同步打開與關(guān)閉。

充排氣口蓋裝置采用梯形絲杠+直線滑塊壓桿傳動方式。兩套直流電機通過一對傳動齒輪并聯(lián)，可同時驅(qū)動兩套梯形絲杠旋轉(zhuǎn)。梯形絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動壓桿沿支撐其兩端的直線導軌平移。兩個壓桿通過滾輪能夠在壓塊上的長形孔內(nèi)滑動，帶動口蓋繞軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)其開閉動作。

特別地，為了保證口蓋在打開與關(guān)閉狀態(tài)的整體剛度，絲杠采用具有自鎖能力的梯形絲杠，確保整套裝置具備斷電自鎖能力；同時每對壓桿與口蓋間安裝有一對拉簧，壓塊與口蓋間安裝有碟簧，通過彈簧、碟簧實現(xiàn)整套裝置的自消隙、自預緊。

本文所述的開閉式充排氣口蓋裝置具有以下特點：

（1）可重復開閉，使用適應(yīng)性強。采用電機有源驅(qū)動方式，可根據(jù)需求在任意時刻實現(xiàn)多次重復開閉動作。

（2）機構(gòu)偏載小，卡滯風險低。采用對開式構(gòu)型，驅(qū)動裝置集中在兩口蓋中央，布局緊湊，兩個口蓋對驅(qū)動裝置的反作用力相互抵消，機構(gòu)偏載小，卡滯風險低。

（3）具有自鎖能力，鎖定剛度高。采用具有自鎖能力的梯形絲杠，以及碟簧、彈簧的自預緊、自消隙作用，保證口蓋在打開與關(guān)閉狀態(tài)均具有很好的鎖定剛度。

（4）同步性好，可冗余驅(qū)動。雙電機通過在驅(qū)動軸之間配置傳動齒輪環(huán)節(jié)實現(xiàn)并聯(lián)冗余驅(qū)動，即使任意一套電機故障，另一套電機仍可同時帶動兩套梯形絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)雙口蓋的同時開閉。

2 仿真分析

按照口蓋關(guān)閉狀態(tài)下可承受最大過載7g、最大壓差7000Pa的載荷條件，對充排氣口蓋裝置運動受力過程進行動力學仿真，研究口蓋開閉過程對電機的輸出力矩需求，分析驅(qū)動電機的力矩裕度。

設(shè)電機經(jīng)絲杠傳動對滑塊及壓桿的推動力Fdt，其受力簡圖如圖2所示，此過程中的主要負載來源于碟簧的壓縮力FS及滾輪在碟簧壓塊中滾動的摩擦力。

為了模擬壓桿與碟簧壓塊之間的復雜受力變化過程，本文基于ADAMS對碟簧壓塊的運動受力變化過程進行力學仿真分析，得到仿真分析結(jié)果如圖3所示。其中，本方案選用碟簧組合剛度為19.4N/mm，最大壓縮量為8.4mm。滾輪與壓桿之間的摩擦系數(shù)為0.2。

由仿真結(jié)果可知，當壓桿滾輪開始壓縮碟簧壓塊時，所需螺桿的推力Fdt最大為70N，此時壓桿的垂直載荷Fd也最大為300N，隨著壓桿滾輪逐步向前移動，螺桿推力Fdt將逐步降低至40N以下。

同時在壓桿滾輪進入長條孔的凹槽的過程中，其接觸力在X方向的由正變負，最大值達到-23N，說明了在關(guān)閉狀態(tài)下，即使不考慮壓桿滾輪與碟簧壓塊之間的摩擦力和梯形絲杠的作用，要解除壓桿對碟簧壓塊的作用也需要對壓桿施加X正向得23N作用力才能使口蓋松動。

由梯形絲杠的傳動特性，每個電機經(jīng)減速后的所需驅(qū)動力矩Td如式1所示。

式中：d2-梯形絲杠中徑，取7.5mm；p-梯形螺紋螺距，1mm；f-梯形螺紋摩擦系數(shù)，取0.2；？茁-梯形螺紋牙型半角，為15°。

按照上述計算分析結(jié)果，本文選用電機在額定電壓下的最大輸出扭矩為8.87Nm，減速器減速比為17，得到電機減速后輸出力矩為150Nmm，為Td的2.28倍。由此可知，單個電機能夠同時驅(qū)動兩套壓桿滑塊機構(gòu)運動，具有一定的驅(qū)動裕度，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

充排氣壓力平衡技術(shù)是保證航天器運行安全的一項重要技術(shù)。本文提出了一種基于有源驅(qū)動的可重復開閉式充排氣口蓋裝置方案，并針對裝置主要傳動部分完成了相應(yīng)的動力學仿真與受力計算，結(jié)果表明口蓋開閉過程中電機具有一定驅(qū)動裕度，能夠滿足設(shè)計要求。

參考文獻：

[1]黃良甫，羅崇泰，等.航天容器的在軌排氣分析[J].真空與低溫，1989，2：17-21.

[2]孫金鏢，姚紹檢，等.返回式衛(wèi)星密封艙壓力控制系統(tǒng)[J].航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，1998，11（3）：189-193.endprint