一種微型載人操作艙系統設計

李 濤,楊 雷,于文澤,王 為,李 偉

(中國空間技術研究院載人航天總體部,北京100094)

1 引言

為探索太空甚至在地球以外的星球生存,需要艙外活動裝備為航天員提供生存的環境,同時提高艙外活動能力,以滿足復雜的在軌維修維護、加工制造和組裝建造等任務需求[1-2]。目前國內外已有的艙外活動裝備包括艙外航天服、氣閘艙、載人機動裝置和單人飛行器等[3]。艙外航天服內部為30～40 kPa的低壓純氧環境,航天員出艙需要執行氧濃度預控、氣閘艙泄復壓和吸氧排氮等操作,出艙準備時間超過3 h,造成空氣資源損失和艙外有效活動時間減少。為克服內外壓差阻力,航天員手、膝蓋等部位與航天服擠壓,接觸位置易造成外傷、發炎等病痛,影響航天員健康。航天服內外壓差導致航天員容易疲勞,一名航天員需1～2天恢復機能,導致復雜艙外任務只能分解為多次出艙,降低了艙外活動效率[4]。Griffin[5]提出了一種載人自主工作站MAWS設想,飛行器在密封艙外配置了3套機械臂,航天員可以利用其中2套機械臂爬行,利用推進系統進行無重力環境飛行。David等[6]提出了一種空間組裝和在軌設施轉移飛行器SCOUT概念設計,飛行器配置3套機械臂、1雙航天服手套和1個球面形觀察艙,飛行器質量超過2 t,航天員通過與航天服相同的觀察窗進行操作。NASA格倫研究中心提出了一種在軌維修、服務和探測的單人飛行器Flex-Craft概念,該飛行器配置推進器和3套相同的靈巧臂,可爬行和維修維護,靈巧臂操作能力較強[4]。Griffin等[7]在FlexCraft基礎上改進,設計了SPS單人飛行器,該飛行器配置了推進系統和2套機械臂,依靠航天服MMU推進系統進行移動,航天員在艙內控制機械臂進行艙外操作。

為克服艙外航天服內外壓差和純氧環境給出艙活動效率、安全帶來的不利影響,微型載人操作飛行器成為研究熱點。針對未來空間站和載人深空探測中設施建造、在軌加工、原位資源探測和利用等復雜操作任務需求,本文提出一種微型載人操 作 艙 (MiniOperating Manned Spacecraft,MOMS)總體方案,航天員可直接從空間站等母體航天器進入操作艙,在機械臂等輔助設施支持下快速到達工作點,執行抵近觀察和復雜操作任務。

2 需求分析

2.1 功能分析

1)提高時間和氣體資源利用率。艙外航天服內部為30～40 kPa的低壓純氧環境[8],為避免減壓病,航天員出艙需要執行氧濃度預控、泄壓、大流量沖洗、吸氧排氮等操作,從準備出艙到完成過氣閘艙,需要2～3 h,泄壓操作需要向艙外排出約25 kPa的空氣,導致空氣資源損失,如圖1所示。艙外航天服攜帶的氧氣等資源支持航天員工作7～8 h,去除出艙和返回消耗的2～4 h,實際艙外作業時間只有3～5 h,因此需要提高出艙活動時間和資源利用率。

2)降低艙外操作對身體造成損傷。艙外操作需使出較大力氣克服航天服內外壓差和失重影響,長時間多次出艙,造成身體與航天服接觸位置損傷,其中手、膝蓋、腳趾損傷最多,如圖2所示,身體疼痛會分散注意力,降低艙外操作效率,因此需要降低艙外活動對身體的損傷。

圖1 出艙過程操作Fig.1 Extravehicular activity process

圖2 艙外操作損傷Fig.2 Injuries to the human by EVA

3)提高連續執行艙外活動的任務時間。穿著艙外航天服活動時,航天員需克服30～40 kPa的內外壓差,容易疲勞,為恢復身體機能,航天員需要間隔1～2天才能再次出艙。因此復雜艙外任務只能分解為多次出艙,這又增加了出艙準備絕對時間,降低了艙外活動有效時間比例,無法滿足太空基地建造、原位資源勘探等復雜艙外任務。因此在提高艙外連續活動時間的同時,需提供舒適的操作環境。

4)提高微流星碎片和輻射防護效果。艙外活動存在微流星和碎片威脅,艙外航天服由多層織物組成,微流星和碎片防護效果不足。因此面向未來高軌維修維護、載人深空等任務,遠離地球磁場保護和地球補給,需要輻射防護效果更好的艙外服務裝備。

由此可見,針對目前艙外服務裝備的不足,有必要研究更為安全、可靠和舒適的艙外操作服務裝備。為克服目前艙外活動裝備內部低壓純氧氣環境、外部為軟質織物帶來的問題,需要研制一種剛體結構的微型載人飛行器,其需要具備如下功能：

1)結構。提供1個大氣壓密封環境,為設備提供安裝支撐功能,對微流星、空間碎片等進行防護,平時停泊在母體航天器上。

2)能源。為艙外轉移和操作期間設備提供電能,具備空間機械臂和蓄電池冗余供電功能。

3)信息。提供微型艙與母體航天器遙測遙控、話音、圖像、微型艙機械臂控制功能。

4)環控生保。提供密封艙總壓、氧分壓和CO2分壓控制功能,具備溫濕度控制和應急補氣功能。

5)熱控。提供密封艙熱控功能,可收集微型載人操作艙內航天員和設備散熱,并向艙外散熱,將溫度控制在規定范圍內。

6)操作控制。支持靈巧臂,支持空間機械臂輔助轉移。

2.2 技術指標分析

與國內外已有艙外活動裝備相比,微型載人操作艙需要提供更長的任務時間和結構安全性,通過微型載人操作艙功能分析,結合國內外調研分析,總體技術指標如下：

1)操作艙總重量需＜900 kg；

2)操作人員1人；

3)目前艙外航天服支持航天員工作7～8 h,為提高連續艙外活動時間,支持艙外操作時間需≥12 h,同時具備擴展能力；

4)支持機械臂輔助轉移。

3 總體設計

微型載人操作艙需要為航天員出艙活動提供必要的生存環境,因此操作艙必須提供密封環境、環境控制與生命保障、能源、通信和照明。為完成艙外操作任務,微型載人操作艙需要提供航天員操作視野觀察窗以及操作工具。艙外航天服手套存在易損、不靈活等缺點,因此可配置靈巧臂和適當的工具,靈巧臂可根據艙外任務進行專門設計,為支持設備和工具的傳遞等操作,需提供2套靈巧機械臂。在失重環境下操作,需要提供助力裝置,要配置1套支撐臂。因此微型載人操作艙設計由密封艙、觀察穹頂、2套靈巧臂、1套支撐臂、1個空間機械臂適配器、1套對接機構、照明燈、攝像機和通信系統等組成,密封艙內配置環境控制與生命保障系統,總體構型如圖3所示。

圖3 微型載人操作艙總體設計Fig.3 Major elements of mini operating manned spacecraft

3.1 結構

微型載人操作艙適用的航天員身高為160～172 cm、坐高為86.5～97.1 cm、體重為55～70 kg。微型載人操作艙結構主要包括4個部分：密封艙、穹頂組件、設備安全支架和防護結構。密封艙結構設計主要考慮失重環境下航天員上肢操作空間和中性體位[9]。由于失重環境航天員視椎體中心線下降14.7°[10],因此觀察穹頂下降15°。結合機械臂操作臺和其他設備布局,微型載人操作艙穹頂外徑設計為1.4 m,觀察穹頂采用聚碳酸酯材料,透光性和抗力學性能良好。過渡段和通道均采用鋁,如圖4所示。

圖4 密封艙結構設計Fig.4 Structure of pressured cabin

穹頂組件覆蓋在觀察穹頂上,保護觀察窗,為攝像機、WiFi、照明燈等艙外設備提供安裝支撐,為艙外設備電纜安裝和布局提供空間。穹頂組件內含可旋轉的面罩,當微型載人操作艙停泊空間站期間,可將面罩旋轉下來,完全關閉觀察窗；當乘員進入密封艙后,可通過按鈕開啟面罩,用于觀察,如圖5所示。

圖5 觀察窗穹頂組件Fig.5 View window assembly

設備安裝支架為艙內與艙外設備安裝、線纜固定、輔助設施存放等提供結構支撐。安裝支架一共4塊,均勻安裝在密封艙通道外側,為減輕重量,支架均為鏤空設計,如圖6所示。

圖6 設備安裝支架Fig.6 Equipment fixing bracket

防護結構為微型載人操作艙提供微流星/空間碎片防護,采用Whipple防護結構[11],如圖7所示。

圖7 Whipple碎片防護結構Fig.7 Whipple debris shield structure

3.2 能源系統

為提高微型載人操作艙的安全性和可靠性,能源系統采用蓄電池供電和空間機械臂供電冗余手段。微型載人操作艙停泊期間,母體航天器對蓄電池組充電；執行艙外操作任務期間,空間機械臂供電,蓄電池備份。

配電系統設置100 V雙母線,通過選通開關形成2個相互隔離的配電母線,2個母線獨立控制,提高了供電可靠性。每條母線采用100 V高壓分散配電體制,形成二級樹形獨立配電體系,其中母線控制單元實現對電源功率通道的切換、隔離選通,配電通道將電能分配到功率控制單元,功率控制單元按照不同功率等級分配到各個負載；單機內設置厚膜DC/DC實現電能的變換和應用,功率控制單元配送100 V和28 V電源,如圖8所示。

圖8 能源系統Fig.8 Electrical power system

3.3 信息系統

微型載人操作艙信息系統包括測控系統、系統網及通信網,如圖9所示。

圖9 測控通信系統Fig.9 TT&C and communication system

1)測控系統。在母體航天器寬波中繼器支持下完成微型艙與母體航天器的遙測遙控和低速話音與圖像傳輸。

2)系統網。依托分層的1553B總線及掛接于各層總線的計算機實現微型載人操作艙設備和機械臂的遙測、指令以及工作模式控制。系統網由核心操作單元作為數據處理中心,采用分級總線和綜合電子實現設備指令、遙測、儀表顯示等數據管理,并與通信系統互連。

3)通信網。依托千兆以太網和接入交換機組成高速通信網絡,依托無線WiFi接入AP設備實現高速圖像、話音、儀表顯示、移動信息服務。

3.4 環境控制與生命保障系統

3.4.1 總壓控制

總壓調控通過總壓控制系統實現,如圖10所示。系統由2個氣瓶組件、供氣軟管、1個氣源控制組件、1個座艙供氣組件組成。氣源采用可移動式高壓氣瓶,氣瓶組件由氣瓶、充氣閥、氣瓶壓力傳感器、截止閥、減壓器組成一體式結構。減壓器出口采用快接接頭和供氣軟管管路連接。氣源公稱工作壓力30 MPa,容積10 L,減壓壓力0.6～0.8 MPa。氣體為70%氮氣和30%的氧氣混合氣體組成。

圖10 總壓控制系統Fig.10 Total pressure control system

為提高可靠性,氣源控制組件設計2條支路,同時連接2個氣瓶組件。每條支路設計減壓壓力傳感器、放氣閥和單向閥,2支路匯合后,在下游設置安全閥和截止閥。氣瓶組件和氣源控制組件之間管路設計為軟管,端接口采用成熟載人航天器快接接頭,易于航天員拆卸、更換氣瓶組件。供氣軟管中設置過濾器,保護下游設備。座艙供氣組件是開關控制部件,主要由4個電動控制的供氣自鎖閥串、并聯組成,出口設置供氣信號器,輸出供氣開關信號。

3.4.2 氧分壓控制

氧分壓控制通過非再生式氧分壓控制系統實現。非再生式氧分壓控制系統由高壓氧瓶組件、氧源控制組件、座艙供氣組件組成。設備組成與工作原理同總壓控制系統一致。

氧分壓控制系統配置2個高壓氧瓶,每只氧瓶公稱工作壓力30 MPa,氣瓶容積2 L,減壓壓力0.6～0.8 MPa,氧氣量除滿足工作時間需求外,還需兼顧應急供氧需求。氧氣輸送管路將氧氣排入通風系統管路,通過通風系統對流實現密封艙內氧濃度均勻。

3.4.3 CO2分壓控制

CO2分壓控制通過非再生式CO2凈化系統實現,在通風系統的配合下,實現對CO2濃度場及水蒸氣濃度場的控制。

CO2凈化系統配置1個CO2凈化風機、1個過濾器、2套凈化回路,每條回路配置1個CO2凈化罐,單個凈化罐凈化能力為1 kg,組件總重1.7 kg。非再生CO2凈化系統繼承載人航天器成熟技術和產品,如圖11所示。

圖11 CO2分壓控制系統Fig.11 CO2partial pressure control system

3.5 熱控系統

微型載人操作艙熱控系統以主動控溫為主、被動控溫為輔。被動控溫措施包括在微型艙外包覆多層隔熱介質,在密封艙內側包覆熱控泡沫,隔絕外空間對密封艙內熱環境的影響。主動熱控系統包括冷干組件、換熱器和水膜蒸發散熱器。設備和航天員產熱由通風系統收集,通過換熱器進行熱交換,并將熱量通過蒸發少量水分進行真空排散,如圖12所示。

圖12 熱控系統Fig.12 Thermal control system

3.6 操作系統

操作系統主要配置2套靈巧臂和1套支撐臂及其操作臺,如圖13所示。靈巧臂安裝于密封艙過渡段,支撐臂安裝于密封艙通道上,均位于乘員正前方,3套機械臂共用1個操作臺,操作臺設計2套操作手柄,可支持2套靈巧臂同時操作。

圖13 操作系統Fig.13 Operating system

4 可行性分析

4.1 重量分析

按照微型載人操作艙的各子系統設計以及我國載人航天器已有設計經驗,設備配套總共47臺,如圖14所示。

圖14 微型載人操作艙設備配套清單Fig.14 Equipment list of MOMS

根據成熟載人航天器產品類推微型載人操作艙產品重量,整艙總重880 kg,如表1所示,小于900 kg,滿足指標要求。

表1 MOMS重量分析Table 1 Weight analysis of MOMS

4.2 氧分壓控制

為保證氧分壓大于21 kPa,氧瓶供氧量需大于航天員氧氣消耗量,航天員在軌氧氣消耗量計算公式如式(1)所示。

式中,QO2為氧氣消耗量,kg；vO2為航天員在軌氧氣代謝消耗速率,L/h；T為出艙活動時間,h；MOL為摩爾常數,取22.4 L/mol；M為氧氣摩爾質量,取32 g/mol；a為安全系數。根據航天員在軌平均代謝速率統計結果,如表2所示,按輕度活動計算,航天員在軌代謝參數為26.4 L/h,考慮氣瓶排放效率和安全余量,取安全系數為1.5。根據冗余備份和2倍裕度設計原則,按照滿足1人24 h的氧氣量進行設計,則氧氣需求量為1.35 kg。微型載人操作艙配置氧氣瓶2只,每只儲氧量為0.8 kg,滿足1人12 h操作需求。

表2 航天員在軌代謝速率[12]Table 2 Astronaut on-orbit metabolism data[12]

4.3 CO2分壓控制

為保證CO2在規定范圍內,CO2排出量需小于凈化罐凈化能力,航天員在軌CO2排出量計算公式如式(2)所示。

其中,QCO2為氧氣消耗量,kg；vCO2為航天員在軌氧氣代謝消耗速率,L/h；T為出艙活動時間,h；MOL為摩爾常數,取22.4 L/mol；MCO2為氧氣摩爾質量,取44 g/mol；a為安全系數。按照航天員輕度活動計算,正常乘員CO2排除率22.8 L/h。按照滿足1人24 h的CO2凈化需求進行設計,安全系數1.5,則凈化CO2總量為1.6 kg。沿用成熟載人航天器CO2凈化罐設計,單個凈化罐凈化能力為 1 kg,配置 2個凈化罐,CO2凈化總量為2 kg,滿足指標要求。

4.4 對比分析

對艙外航天服、FlexCraft單人飛行器和本文設計的MOMS微型載人操作艙對比分析,結果如表3所示。可以看出,與艙外航天服相比,MOMS出艙活動準備時間更短,任務時間更長,無需吸氧排氮和泄復壓,防護能力更強；與FlexCraft相比,MOMS重量小,可利用空間機械臂和自身靈巧臂轉移,同時可利用空間機械臂傳輸能源,安全性更高。

表3 艙外操作設備對比分析Table 3 Comparison and analysis of EVA

5 結論

1)針對載人深空探測中太空基地建造、設備在軌加工、原位資源利用等復雜操作需求,提出的微型載人操作艙總體方案滿足指標要求、方案合理可行。

2)微型載人操作艙平時停泊于空間站等母體航天器的對接口,密封艙內為1個大氣環境,出艙活動時無需航天員吸氧排氮,無需泄復壓,航天員直接從母體航天器進入操作艙。關閉艙門后在空間機械臂等輔助設施支持下直接進行轉移,執行抵近觀察和復雜操作任務,提高了出艙活動效率,降低了氣體資源排散。

3)微型載人操作艙總重量＜900 kg,可容納操作人員1人,艙外操作時間≥12 h,支持艙外服手套和靈巧臂等操作接口,適用于未來人類進行復雜的空間設施建造、資源開發利用和空間站擴展應用相關任務。