載人航天器艙外在軌維修維護地面驗證平臺設計

魏傳鋒，李興乾,2，呂 寧，張 偉

（1.中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.南京航空航天大學 航空宇航學院，南京 210016）

0 引言

空間站是有人居住的長期在軌運行的航天器，壽命要求一般在10年以上。“禮炮7號”空間站預定在軌壽命4～5年，最終實際在軌工作壽命達8年之久。“和平號”空間站是世界上第一個長久性空間站，設計壽命5年，但是通過維修維護實際在軌運行了15年。國際空間站首個艙段于1998年發射，原設計壽命15年，目前已確定延壽至2024年。國外空間站實際工作壽命的實現，離不開在軌維修維護技術的成功應用[1]。在后勤資源有保障的條件下，通過維修維護可實現空間站長期在軌運行，并在此基礎上開展進一步的延壽工作。“和平號”空間站為延長在軌運行時間，站上航天員75%的工作時間用于空間站設備的在軌維修維護。國際空間站自在軌運行以來，航天員日常40%的時間用于開展各類維修維護工作，截至2016年9月，已完成384次出艙活動執行空間站艙外設備的維修維護。國際空間站組裝建造期間（2006年—2010年）接收運送的維修備件總質量達32 t，其中艙內備件12 t，艙外備件20 t，占在軌運行期間物資運送總量的8%。組裝完成后（2011年—2015年），共接收運送維修備件39 t，其中艙外備件約22 t，艙內備件約17 t，占物資運送總量的21%。從國外空間站的建造和運行經驗來看，進行在軌維修維護是保證空間站長期在軌運行的必要手段，艙外維修維護作業在所有已完成的維修維護工作中占有很大的比重[2]。

而要保證空間環境[3]下完成在軌維修維護任務，需要從維修驗證需求出發，確定地面驗證的任務與功能，建立一套艙外在軌維修維護地面驗證平臺，在地面開展大量的試驗驗證[4-6]。

1 地面驗證需求分析

載人航天器艙外設備工作在真空環境中，真空環境下某些材料會出現蒸發、升華，造成材料組分的變化、有機物的膨脹，進而改變材料原有的力、熱等物理性能和電性能，從而導致機電類設備發生黏著和冷焊效應，造成旋轉部件的磨損、粘連和卡死；航天器在冷黑環境中運行，受到周期性的太陽輻照，使艙外設備的溫度發生冷熱交變，也會導致材料熱脹冷縮致出現機構卡滯；航天員在開展艙外維修操作時，需穿著艙外航天服，且艙外航天服手套存在內外壓差，航天員的可視性、可達性、可操作性均會受到制約影響。惡劣的維修條件以及航天服約束給艙外維修活動帶來很大困難，而艙外活動直接關乎航天員生命安全。同時由于空間碎片、高真空、高低溫交變、艙外設備工作對環境的影響等因素，難免會在出艙活動中出現突發情況，對航天員安全和出艙任務的完成帶來致命的影響。因此，有必要針對空間環境下的艙外維修操作在地面建立一套驗證系統，同步進行在軌操作驗證，并在發生意外情況時能快速響應，支持后續出艙活動方案的決策。

航天員執行艙外維修任務時的主要步驟如下：

1）航天員攜帶維修工具出艙；

2）機械臂將航天員運送至維修工作區域；

3）航天員對待維修設備進行維修或更換；

4）確認維修操作有效后，航天員返回艙內。

目前廣泛使用水槽[7]和仿真手段[8-12]對上述工作項目進行驗證，缺少空間環境模擬設備和航天員操作模擬設備驗證手段。為驗證真空、冷黑環境下，機、電、液接口的拆裝性能，同時更真實模擬航天員艙外維修穿著艙外航天服受到航天服面窗的視線阻擋，以及手套內外壓差對航天員操作關節活動范圍、操作精度的影響，需要研制航天器艙外維修維護地面驗證平臺，為艙外產品提供真空、冷黑試驗環境，為航天員精細維修操作提供驗證條件，也可為應對后續在軌突發故障提供地面同步支持。

2 地面驗證平臺任務和功能分配

為支持載人航天器艙外維修驗證，同時滿足快速響應要求，驗證系統需要集成維修操作相關的多環境因素，與不同環境單獨模擬（如真空模擬、著服進水槽）相比，驗證準備時間應能大幅縮短；同時驗證系統應具有豐富的靈活性，能覆蓋載人航天器大體量艙外維修設備涉及的各類機、電、液接口。

地面環境模擬系統應具備的功能如下：

1）模擬艙外真空、冷黑環境：為驗證艙外設備耐受真空環境的維修性設計和在真空環境下的維修操作能力，使用待維修設備或試驗件在真空罐中開展熱真空試驗。

2）模擬航天員著艙外航天服后的操作。

3）模擬航天員和維修設備間的相對位置關系：在軌維修艙外設備時，航天員固定在機械臂或艙體表面進行維修操作，需在地面模擬在軌實際操作位置，驗證設備操作是否可行。地面試驗模擬時，維修操作口相對于模擬設備難以移動，需通過伺服機構帶動待維修設備運動，使得待維修設備相對于人的操作位置與在軌維修狀態一致。

4）維修過程測量需求，包括操作力測試、維修過程攝像記錄。

3 地面驗證平臺系統組成

通過需求分析可知，載人航天器艙外在軌維修維護地面驗證平臺設備結構以及配套復雜，研制技術難度大。該平臺由真空模擬子系統、冷黑環境模擬子系統、熱模擬子系統、照明模擬子系統、相對位置模擬伺服子系統、艙外操作手套子系統、試驗支持子系統組成，如圖1所示。

圖1 在軌維修地面驗證平臺系統組成Fig.1 System configuration of ground test bed for validation of extra-vehicle repairing and maintenance

4 地面驗證平臺詳細設計

4.1 真空模擬子系統

真空模擬子系統由粗抽機組和高真空機組組成。其除了維持容器內真空環境外，還需要提供航天員手套在地面模擬在軌維修操作試驗時手套的充壓環境，以模擬手套在軌維修操作時的內外壓差。程序控制中設置壓力自動控制程序，控制流程如圖2所示。

4.2 冷黑環境模擬子系統

熱沉結構設計方案一般都隨真空容器的結構形式而定。本平臺真空容器采用臥式圓柱體，故熱沉也為同樣的形式。整個熱沉分成筒體、封頭、大門和去污冷屏等部分，每部分熱沉都由主管、支管、散熱翅片、支撐架和輻射屏等組成，相互構成整體。

圖2 真空模擬子系統壓力自動調節控制流程Fig.2 Flowchart of automatic control on vacuum simulation subsystem

4.3 熱模擬子系統

熱模擬子系統采用紅外加熱籠進行模擬，由程控電源供電。配備有溫度測量和控制系統，具有手動控制和程序控制等工作方式，滿足試驗過程中熱環境的測量和控制需求。

4.4 照明模擬子系統

為對容器內部進行照明，保證觀察清晰，照明模擬子系統配置了適合真空低溫環境的專用光源，位于設備頂部，角度可以手動調節，確保工作區域照明均勻分布且無死角，保證容器內操作面光照度滿足需求。

4.5 相對位置模擬伺服子系統

子系統中的運動系統由移動支架車、機架、旋轉機構以及平移機構等部分組成，以滿足真空低溫環境下的旋轉與平移運動功能要求。旋轉機構由旋轉升降機與試件支撐座組成，平移機構由移動電機、連接螺母座滑動導軌等組成。

4.6 艙外操作手套子系統

艙外操作手套子系統需要模擬在空間艙外維修中航天服手套的狀態：手套有一定的壓力適應性和密封性，但是又要保持靈活性，確保維修狀態正常。手套通過專用法蘭接口與真空罐體連接，供操作人員伸入真空艙內的工作臺面，進行空間維修模擬操作試驗，其典型操作試驗如圖3所示。

圖3 在軌維修維護地面試驗平臺典型操作試驗Fig.3 Typical operation for manned spacecraft extracurricular repairing and maintenance test bed

4.7 試驗支持子系統

試驗支持子系統包括真空容器，監控與攝像，微量污染物監測等功能單元。

真空容器部分是本系統的主體結構部分，它為各種操作提供有效環境試驗空間，同時也是真空獲得系統、熱沉及液氮外流程和試驗測控等各部分匯集的中心。

監視與攝像單元主要用于試驗過程中對真空容器內試件及試驗設備狀態的監視，它具有視野廣、實時監測和使用靈活方便等特點，尤其對艙內操作界面可以多角度監控。

微量污染物原位監測單元采用石英晶體微量天平，由控制器和多個微量天平探頭組成。

5 結束語

本文從航天器艙外維修驗證平臺的需求分析，任務和功能分配，系統組成，詳細設計等幾個方面系統闡述了平臺的設計，包括真空模擬子系統、冷黑環境模擬子系統、熱模擬子系統、照明模擬子系統、相對位置模擬伺服子系統、艙外操作手套子系統、試驗支持子系統等部分。通過集成測試表明，該平臺保證了艙外維修維護作業的可視可達，準確模擬了航天員著艙外航天服后的操作能力，可滿足航天器艙外維修驗證需求。