嫦娥五號發射前器表操作數字化仿真設計與實踐

馮 偉 鄭圣余 鮑曉萍 黃 俊 陳啟威 孫 威 劉福全 彭東健

兩化融合

嫦娥五號發射前器表操作數字化仿真設計與實踐

馮 偉鄭圣余鮑曉萍黃 俊陳啟威孫 威劉福全彭東健

（1. 北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2. 北京市航天產品智能裝配技術與裝備工程技術研究中心，北京 100094；3. 北京空間飛行部總體設計部，北京 100094）

針對嫦娥五號月球探測器發射前塔架上整流罩內惡劣環境操作需求，提出了探測器發射前整流罩內的裝配工藝方案，并開展數字化仿真設計，根據仿真結果和塔架實際工況，完善了整流罩開口尺寸和位置設計，研制了輕質型、靈活性操作平臺，解決了探測器整流罩內高風險操作、工藝裝備塔架固定等難題，實現了發射前塔架上可靠、安全的總裝，確保了嫦娥五號總體裝配任務的順利完成。

整流罩；仿真驗證；塔架；總體裝配

1 引言

航天器發射場工作是型號產品質量形成的最終階段，而塔架裝配任務是發射場總裝工作的關鍵，是滿足發射狀態的重要環節，其操作結果直接關系到航天器能否按時成功發射、是否能夠在軌穩定運行，因此塔架裝配工藝應精細化設計，確保總裝操作萬無一失。應盡量減少航天器發射前塔架上的操作，以防可能產生的安全隱患，而航天器研制過程中，很多型號射前的總裝操作又不可避免，如為了確保產品安全，防止誤操作，在航天器發射前才將器表火工品短路、放電保護插頭斷開；探月工程、載人工程的航天器上伽瑪發射器中放射性元素的防護蓋也是在航天器發射前摘除，以確保塔架其他工作人員的安全。

嫦娥五號月球探測器是探月三期工程“采樣返回”任務的中國首顆地月采樣返回航天器，結構從下到上分別由軌道器、返回器、著陸器和上升器組成，整體外形尺寸從下到上由大到小。由于嫦娥五號探測器構型及布局的特殊性，在發射場塔架上需要在不同艙段不同時機開展不同的操作，還涉及了探測器發射前24h的操作，主要包括著陸器、上升器器表電連接器和伽瑪關機敏感器“輻射源”保護蓋的摘除的操作。塔架發射前的操作，面臨整流罩對接后操作開敞性差，滿足塔架惡劣環境下地面支持設備對靈巧性和輕便性的要求，同時更要面臨整流罩內探伸1m以上的高風險操作工況需求，以及考慮海南發射場潮濕的環境對工藝裝備影響，最終實現總裝操作的安全和可靠性。因此，發射前塔架整流罩內的操作對工藝方案設計以及地面支持設備的研制提出了更高的要求。

本文分析了嫦娥五號月球探測器發射前在整流罩中進行著陸器、上升器器表操作的需求，提出了總裝工藝方案，通過虛擬仿真方式開展對整流罩開口的優化設計以及工藝方法驗證，同時設計了實現操作需求的靈巧、輕便的地面支持設備。

2 塔架整流罩內裝配工藝設計需求分析

嫦娥五號月球探測器塔架整流罩內總裝工藝設計涉及到整流罩操作口多約束、操作環境惡劣、無法地面驗證、高可靠性等各方面的綜合要求制約，主要技術難點和約束如下：

a.整流罩操作口涉及約束多，進度緊張，在設計階段需要提供設計方最優開口的位置和大小，一旦設定后，很難更改。整流罩開口首先要滿足本身的剛度要求；其次，需協調確認發射場塔架具備高度調節的能力和條件下，滿足操作的可實施性和舒適性要求，在航天器研制的大系統接口約定后很難更改。在設計階段無法通過實物驗證，造成操作口的精細化設計困難較大。

b.嫦娥五號塔架操作項目多，環境復雜，難以在地面真實驗證。嫦娥五號涉及著陸器、上升器等不同艙段不同位置的總裝操作口一共4個，分別是14號、11號、12號和8號口，14號口是上升器器表插頭操作口，其操作人員需要進入到整流罩內站立操作，具有較大的操作風險；11號口是著陸器器表插頭的拔插頭操作口，操作人員需要匍匐進入后操作；12號口伽瑪關機敏感器摘罩操作；8號口是操作觀察口。整流罩內操作工況不統一，有站立操作、趴著操作；操作項目也不一致，有電連接器操作、保護蓋操作；操作位置也不同，環境復雜。

c.發射前塔架上的操作都是不可逆的，需充分考慮操作的舒適性、安全性，確保萬無一失。在操作方法和工藝裝置設計上應克服塔架上無固定點的約束，保障操作的便捷和安全，確保工藝裝置具備輕便性和靈活性，從技術層面上提高實施的可靠性，提高操作的舒適程度，從而降低操作人員在發射前操作的心理負擔，提高操作質量。

綜上，工藝設計應提前介入總體整流罩開口設計，進行協同設計，通過數字化仿真驗證與設計方多重迭代高效實現整流罩開口的最優設計，便于總裝操作。同時通過數字化裝配設計，保證操作人員可視、可達，安全且操作舒適，同時精細化操作細節，并對操作裝置提出了具體的研制要求。

3 裝配工藝虛擬仿真驗證

3.1 仿真流程

裝配工藝仿真技術是當前處理航空航天復雜產品、特殊工況裝配問題的關鍵技術，在產品設計階段協同進行裝配工藝驗證，提前分析并優化裝配干涉、操作空間可達性等問題，保證其合理性，相對“實物驗證”更為快捷和迅速，有些時候可替代傳統的“實物驗證”的裝配模式。

圖1 仿真工作流程圖

對發射場塔架整流罩內的操作進行工藝仿真驗證。整流罩開口方案仿真與評估的工作流程如圖1所示。首先，將產品模型、資源模型導入Delmia，依次完成模型完備性檢查、模型規范化處理、模型可視化處理、模型布局優化等，根據實際需要，創建虛擬人模型，規劃虛擬人的HumanTask節點，針對每個HumanTask節點，逐步完成虛擬人模型位姿信息定義、操作動作定義；之后，將HumanTask節點與相對應的Process節點一一關聯，并進行顯示/隱藏動作創建、仿真視點創建等仿真建模工作。在仿真建模基礎上，對虛擬人進行操作可視性分析、操作可達性分析以及操作舒適性分析。

3.2 上升器器表操作仿真及驗證

上升器塔架操作屬于器表插頭操作，位置在14號口，初始設計的操作口下邊緣距離操作平臺高度為1199mm，設計尺寸550mm（弧長）×500mm，器表操作位置為從整流罩開口進入到1725mm。

裝配過程包括操作人員從整流罩開口外通過輔助工裝爬入整流罩內，從輔助工裝站立并對上升器器表操作，對這三個過程進行虛擬仿真驗證。同時，為了操作的舒適性，對整流罩不同的開口大小和位置進行仿真驗證，確認更為合理的開口位置，優化備選14號整流罩開口方案有4個：改進方案1：尺寸500mm（弧長）×500mm（高度）；改進方案2：尺寸450mm（弧長）×500mm（高度）；改進方案3：尺寸400mm（弧長）×500mm（高度）；改進方案4：位置上移13mm，尺寸改為500mm（弧長）×474mm（高度）。

分析整流罩操作口14的裝配虛擬仿真結果，并結合仿真目標規劃的要求，仿真效果如下：

圖2 可達性姿勢仿真驗證（初始方案）

a.操作方面：為保證操作人員順利爬入整流罩，要求選擇體型較小的操作人員。在標準虛擬人模型（身高170cm）的情況下，初始方案、改進方案1和改進方案4，操作人員可順利進入操作口內。從輔助工裝的站立過程主要限制在于人體下肢與操作口的干涉，與周邊設備的空間相對充裕。器表插頭離操作人員可站立位置較遠，可勉強操作，但人員姿態舒適性低，不能長時間操作，且需有相應的防緊固件、工具掉落等措施。經仿真驗證，方案4最為合理，其中操作姿勢仿真對比如圖2和圖3所示。

圖3 可達性姿勢仿真驗證（改進方案4）

b.裝備設計方面：輔助工裝應在保證強度的前提下盡可能減小探入整流罩口內的厚度，并具有足夠長度將操作人員送至緊靠器表插頭的位置，保證操作人員能順利進入操作口。輔助工裝靠近上升器的位置應注意避免與艙板及周邊設備干涉。為提高操作人員的姿態舒適度，可考慮在輔助工裝靠近上升器的部位給予操作人員適宜的垂直高度。同時由于操作人員需要前傾才能操作器表插頭，應設計折疊護欄，在進入整流罩后打開護欄，保證人員操作安全。

3.3 著陸器器表操作仿真及驗證

著陸器塔架操作也屬于器表插頭操作，位置在11號口，初始設計的操作口下邊緣距離操作平臺高度為415mm，設計尺寸450mm（弧長）×500mm，器表操作位置為從整流罩開口進入到970mm，處趴伏狀態下操作。

裝配過程包括操作人員從整流罩開口外通過輔助工裝爬入整流罩內及對著陸器器表操作，應對這兩過程進行虛擬仿真驗證。同樣，對整流罩不同的開口大小和位置進行仿真驗證。優化備選11號整流罩開口方案有3個：改進方案1：位置相對初始方案下移350mm，尺寸不變；改進方案2：位置相對初始方案操向I象限線移動10°，尺寸不變；改進方案3：位置相對初始方案下移220mm，尺寸不變；

分析整流罩操作口11的仿真結果，并結合仿真目標規劃的要求，仿真效果如下：

a. 操作方面：在標準虛擬人模型（身高170cm）的情況下，當前操作口尺寸較小，操作人員難以主動爬至操作位置，需通過工裝輔助推進等方式將其送至目標位置；初始方案和改進方案3的可視性狀況優于改進方案2，如圖4～圖6所示，而改進方案1由于操作口下降位置過多，無法滿足操作要求，如圖7所示；各方案的操作舒適性均很低，需有相應的防緊固件、工具掉落等措施。

圖4 可視性驗證（初始方案）

圖5 可視性驗證（改進方案2）

圖6 可視性驗證（改進方案3）

圖7 可視性驗證（改進方案1）

b.裝備設計方面：由于操作人員無法主動爬至操作位置，工裝應具備輔助功能，將操作人員送至指定位置；操作時操作人員需探出工裝，工裝設計應有相應的安全措施，保證人員及設備安全；操作口至著陸器空間較多，不易與周邊設備發生碰撞，可以將輔助工裝盡可能延長，保證操作人員的安全及輔助支撐。

3.4 伽瑪關機敏感器操作仿真及驗證

伽瑪關機敏感器塔架操作是摘除保護罩操作，位置在12號口，初始設計的操作口下邊緣距離操作平臺高度為225mm，設計尺寸500mm（弧長）×500mm，器表操作位置為從整流罩開口進入到1400mm，處趴伏狀態下操作。優化備選12號整流罩開口方案有1個，位置相對初始方案下移13mm，尺寸改為500mm（弧長）×474mm（高度）。操作過程與著陸器類似，采用同樣的方式進行虛擬仿真驗證。

分析整流罩操作口12的仿真結果，并結合仿真目標規劃的要求，仿真效果如下：

a.操作方面：同樣在標準虛擬人模型（身高170cm）的情況下，初始方案和改進方案1操作人員可順利進入操作口內。但操作人員無法主動爬至操作位置，需通過工裝輔助推進等方式。兩方案的操作可視性與舒適性情況一致，可視性足夠，但操作舒適性較低，同樣需有相應的防緊固件、工具掉落等措施。

b.工裝設計方面：與著陸器其表操作裝備一致。

4 仿真的實現與驗證

4.1 上升器裝配平臺設計

上升器器表操作工裝由折疊護欄、移動平臺、底座支撐框架、可升降支腿、腳輪、配重托盤、吊環、滑動導軌、滾動滾輪九部分組成。該工裝采用上面移動平臺相對于底座支撐框架相對滑動的運動方式，使移動平臺工作狀態下伸進整流罩內部。在移動平臺上裝有可以折疊的護欄，保證操作者的安全。采用可升降支撐腿結構，能夠調整高度，方便移動平臺順利伸入整流罩內部。底部腳輪使該工裝在短途搬運中非常方便。配重托盤延伸了工裝在長度方向的尺寸，能夠很好地減小配重重量，配重托盤在非塔架上使用。為了減重，整體結構采用鋁制材料焊接成型。

塔架固定方案主要由固定在工裝上的頂絲擠壓板、擠壓螺桿、支撐框架、與塔架支架連接夾爪四部分組成。支撐框架通過與塔架支架連接夾爪固定在旁邊的固定支架上，由于支撐框架上存在兩個轉軸，存在兩個自由度，即擠壓螺桿總能找到與頂絲擠壓板對應的位置，使兩者正好能夠對齊。找準位置后轉動擠壓螺桿對頂絲擠壓板產生向下的擠壓力。而頂絲擠壓板通過螺栓與工裝連接。所以工裝受到了向下的壓力，使操作人員在上面工作的過程中，工裝不會傾倒，固定方式如圖8所示。

1—擠壓螺桿 2—頂絲擠壓板 3—支撐框架 4—與塔架支架連接卡具

圖9 ANSYS分析上端固定點受力情況

通過有限元分析軟件分析了頂絲擠壓支撐框架對塔架上的固定架產生的力的大小。在塔架上工作時，頂絲擠壓支撐框對上升器器表操作工裝擠壓產生的反作用力最大，大約為1700N，以此為依據分析該框架對與其連接的固定架產生的力的大小和方向，如圖9和圖10所示，塔架上的固定架能夠承受力遠遠大于2939N，不會對塔架上的固定架造成影響。

圖10 ANSYS分析下端固定點受力情況

上升器器表操作工裝通過有限元分析軟件分析整體承載能力。施加的載荷為工裝最前端1000N的豎直向下的力，即工作人員站在最前端工作時的情況。施加的約束為四個支撐腿的位置固定約束。變形和受力分析結果如圖11、圖12所示。通過圖12應變分析云圖可知，前端的最大變形為6.8mm；移動平臺框架在與滾動滾子接觸的部位產生了最大的應力為61.3MPa。整體的最大應力出現在滾動滾子轉動軸與軸承的連接處，最大為181.3MPa，該轉動軸采用的材質為優質鋼，強度與剛度均能滿足要求。

圖11 操作平臺整體變形分析圖

圖12 操作平臺整體應力分析圖

4.2 著陸器裝配平臺設計

根據塔架環境和總裝需求，著陸器器表操作工裝與上升器器表操作工裝相比主體設計方式一致，其中，探伸距離、工作高度、移動平臺寬度的不同略作調整，變化不同點在塔架的操作位置不同，因此無法借助塔架固定立梁，經考慮借助了塔架上開合的火箭和探測器操作平臺之間的搭縫設計專用固定裝置。

專用固定裝置采用了塔架上開合平臺之間的寬20mm高度50mm的細長縫作為固定點。設計一個T型的螺桿鉤住平臺上細長縫的底部，并通過螺母固定，從而將工裝的后部固定，操作人員在工裝上工作時，該裝置提供了一個向下的拉力，保證了工裝的穩定性。該固定裝置的具體結構如圖13所示。

1—端部固定旋鈕 2—轉軸鎖緊螺母 3—轉動曲柄 4—T型螺桿 5—塔架平臺

當著陸器器表操作工裝移動到工作位置，旋松端部固定旋鈕，轉動曲柄使T型螺桿的頭部伸到細縫中，轉動90°，使T型的頭部卡在細縫中，擰緊上下螺母，將T型螺桿固定在塔架的平臺上。然后擰緊轉軸鎖緊螺栓螺母，擰緊端部固定旋鈕，將轉動曲柄與工裝支架固定，即達到了著陸器器表操作工裝的在塔架上的固定。

著陸器裝配平臺經ANSYS分析，承載滿足強度要求。

4.3 伽瑪敏感器裝配平臺設計

伽瑪敏感器操作與著陸器器表操作及位置類似，裝配平臺參考著陸器器表裝配平臺設計。經ANSYS分析強度與剛度都滿足要求。

4.4 塔架整流罩內操作的實現

依據嫦娥五號月球探測器整流罩內操作要求，研制的上升器器表、著陸器器表、伽瑪關機敏感器操作的工藝裝備，經仿真和試驗驗證，并在無整流罩狀態下的塔架固定成功驗證，最終順利完成了嫦娥五號月球探測器發射場前整流罩內高風險總裝操作。

5 結束語

塔架上整流罩內操作是航天器發射前總裝的關鍵環節，本文充分分析了嫦娥五號月球探測器發射前整流罩內的操作需求，經數字化虛擬仿真驗證，優化了整流罩的開口設計，精細化總裝的操作過程，采用鋁制材料研制了輕質型、靈活性的操作平臺，并借助發射場塔架現有框架和搭縫將其可靠固定，實現了嫦娥五號發射前整流罩內的器表操作安全可靠地完成，為嫦娥五號任務成功提供了保障，其他型號塔架總裝操作工藝設計和裝備研制可參考。

1 易旺民.航天器智能裝配技術與裝備[M]. 北京：中國宇航出版社，2019

2 王建軍，文明，鄂煒.航天器在發射場的質量管理[J].質量與可靠性，2019，204(6)：7～11

3 于登云.月球軟著陸探測器技術[M]. 北京：國防工業出版社，2014

4 張延磊，馮偉，易旺民，等. 基于“嫦娥三號”放射性載荷的總裝防護設計與實施[J].航天器環境工程，2015，23(6)：674～679

5 馮偉，張延磊，易旺民，等.基于虛擬仿真技術的探月工程二期航天器總裝工藝設計[J].航天器環境工程，2014，31(3)：326～331

6 李兆宇，李小強，金朝海，等. 航空航天復雜產品裝配仿真實施方案研究[J].航天制造技術，2019(1)：60～65

7 沈重，張家雄，戰玉曉，等. 基于 DELMIA的復雜航天器數字裝配技術與應用[J].航天制造技術，2015(1)：61～64

Process Simulation Design and Application on Chang’e-5 Surface Operation before Launch

Feng WeiZheng ShengyuBao XiongpingHuang JunChen QiweiSunweiLiu FuquanPeng Dongjian

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094；2. Beijing Engineering Research Center of the Intelligent Assembly Technology and Equipment for Aerospace Product, Beijing 100094；3. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094)

In view of the harsh operating environment inside the fairing on the tower of the chang’e-5 lunar probe, the assembly process scheme in the fairing before the launch of the detector is proposed, and the process simulation is carried out. According to the simulation results and the actual situation of the tower, the size and position of the fairing opening are improved, and the lightweight and flexible operation platform is designed. The problems of high-risk operation in the detector fairing, fixing of process equipment tower and lightweight design are solved. The reliable and safe operation on the tower of the launch site is realized, and the complete success of the overall assembly task of chang’e-5 model is ensured.

fairing；simulation；launching tower；assembly

馮偉（1982），高級工程師，機械設計及理論專業；研究方向：航天器總裝工藝設計、工藝信息化及智能工藝裝備設計。

2021-01-11