我國空間站出艙活動通用設計和實施技術

李學東 謝圓 朱光辰

(1 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(2 北京航天飛行控制中心,北京 100094)

航天員出艙活動是載人航天技術的重要組成部分,是最具載人航天特點的航天飛行任務。作為大型多艙段復雜構型航天器,空間站要實現(xiàn)長期在軌可靠、安全、穩(wěn)定運行,必須具備在軌組裝及維修維護能力,需要航天員出艙完成一系列艙外操作任務,如大型組件裝配、壽命到期部件更換、故障件維修、艙外有效載荷照料等。盡管近年來機械臂技術和人工智能術有了長足進步,但仍不能代替大量復雜精細作業(yè)所需的實時觀察、判斷、決策、執(zhí)行能力和人的主觀能動性,航天員出艙活動仍是支持空間站運行、擴展空間站應用服務不可或缺的關鍵技術[1-2]。

2008年9月25日,我國神舟七號載人飛船發(fā)射升空;9月27日航天員翟志剛在劉伯明協(xié)助下從氣閘艙實現(xiàn)了我國第1次在軌出艙活動。通過神舟七號載人飛船在軌任務,我國突破了出艙任務氣閘艙過閘和部分艙外操作的關鍵技術,但屬于單航天器出艙功能驗證飛行,未涉及執(zhí)行航天器組合體艙外操作任務,尚未突破和掌握全部的艙外轉移和操作技術并形成系統(tǒng)、完整的出艙系統(tǒng)設計方案,航天員未開展對艙外設備的復雜操作。我國空間站出艙任務主要面向空間站艙外設備和載荷的組裝和維修,出艙活動技術主要包括氣閘艙技術、艙外活動支持技術、艙外航天服支持技術、通信照明保障技術等。空間站出艙技術具有工作模式多樣、出艙時間長、活動范圍大、分系統(tǒng)參與性和耦合性強等特點[3-5],由此也引入了機械臂支持、資源可重復利用、艙外Wi-Fi無線通信等新技術。

本文按照我國空間站出艙活動技術方案設計要素,分別介紹了任務目標、詳細技術方案設計和主要技術特點,并對出艙活動技術在天宮空間站的多次任務實施進行了總結,對未來技術應用方向提出了展望。

1 出艙活動任務目標及系統(tǒng)級設計

根據(jù)我國空間站任務規(guī)劃,出艙活動任務可分為五大類,具體任務包括:①空間站平臺的大型結構組裝裝配;②艙外設備維護維修;③航天員參與的艙外科學試驗;④航天員艙外情況監(jiān)測;⑤出艙活動技術驗證[6]。

我國空間站(構型見圖1)在繼承神舟七號載人飛船出艙經(jīng)驗的基礎上,結合空間站任務需求,在出艙活動系統(tǒng)設計能力、艙外作業(yè)任務規(guī)劃、艙外活動輔助支持等方面進行了長期、多次出艙任務的系統(tǒng)級設計。

(1)提出以氣閘艙集成設計和艙外不同任務通用化設計為基礎的出艙系統(tǒng)總體設計方案,解決空間站多艙段、多任務、工作模式多樣和多系統(tǒng)協(xié)同的出艙強耦合問題,實現(xiàn)氣體復用技術在我國載人航天領域的首次在軌應用。

(2)國內首次建立出艙任務全流程地面驗證體系,包括系統(tǒng)級3維人-服-艙仿真驗證、航天器緊湊空間約束下的過閘布局驗證、出艙全流程安全性驗證、低壓環(huán)境驗證、微重力環(huán)境下可操作性驗證等,解決了航天員在出艙任務中空間約束、保障約束、天地差異大、安全性要求高等一系列難題。

(3)提出一種機械臂轉移航天員和航天員自主轉移相結合的快速轉移方法,滿足多艙段、多任務艙外工作點在既定時間約束下解決航天員跨艙段大范圍轉移、在工作點體位固定及維修設備轉移的三大難題。

圖1 天宮空間站Fig.1 Tiangong space station

2 出艙活動通用設計和實施技術

我國出艙活動技術主要包括航天員每次任務固定的通用技術和針對不同任務存在差異的實施技術。通用技術主要包括航天員過閘的氣閘艙系統(tǒng)設計、出艙活動通用設備設計、出艙活動通信監(jiān)視保障技術和艙外服系統(tǒng)設計;實施技術主要包括不同任務的水下試驗驗證技術、出艙任務艙外轉移技術及在軌驗證技術。

2.1 氣閘艙系統(tǒng)設計

氣閘艙是航天員從艙內載人環(huán)境進入真空的太空環(huán)境的過渡艙段[7]。氣閘艙的主要功能包括:提供2名航天員穿脫艙外服的空間和助力裝置,以及泄壓至真空確保航天員可以打開艙門進入太空。現(xiàn)役的具備開展航天員出艙任務的飛行器包括我國研制的天宮空間站和美國牽頭研制的“國際空間站”。“國際空間站”現(xiàn)有2個氣閘艙,即探索號聯(lián)合氣閘艙(構型見圖2和圖3,可供美俄2種型號的航天服共同使用)和星辰號氣閘對接艙(僅支持俄羅斯航天服出艙)。探索號氣閘艙約4.25m3,僅支持2名穿著艙外服的航天員過閘。航天員穿脫艙外服與設備過閘均不在氣閘艙進行[8]。

各類飛行器支持航天員出艙的氣閘艙如表1所示。空間站長期在軌使用專用的氣閘艙,包括外掛和實驗艙攜帶2種形式,但其位置必然都位于密封艙的端部。

表1 氣閘艙能力Table 1 Capabilities of airlock module

圖2 探索號聯(lián)合氣閘艙Fig.2 Quest joint airlock module

圖3 探索號聯(lián)合氣閘艙艙內視角Fig.3 Inside view of Quest joint airlock module

2.1.1 我國氣閘艙配置情況

我國空間站配備了2個氣閘艙,分別屬于核心艙和問天實驗艙。不同于“國際空間站”2個氣閘艙只能分別支持美國艙外服和俄羅斯艙外服過閘,我國2個氣閘艙均可支持飛天艙外服開展出艙任務。在出艙過程中,節(jié)點艙艙載支持設備均保持加電狀態(tài),當問天氣閘艙出現(xiàn)不可返回的極端工況,航天員可通過核心艙的節(jié)點艙安全返回密封艙。其中,核心艙的節(jié)點艙可為航天員提供7.4m3的容身空間,問天實驗艙的氣閘艙可提供10m3。航天員穿脫艙外服與過閘,以及標準尺寸的設備過閘均在氣閘艙,氣閘艙兼作艙外服組裝、檢查、測試、貯存和著裝場所,容積較大。

2.1.2 氣閘艙布局設計

我國問天氣閘艙可為航天員提供10m3的容身空間。針對航天員穿脫艙外服與過閘的容身要求,以及標準尺寸設備過閘空間要求,對我國航天員穿著航天服狀態(tài)下的身體包絡、腿部、膝部和腳踝的活動自由度和航天員視域等數(shù)據(jù)作為輸入建立Jack軟件的動態(tài)模型(見圖4),用每一步真實操作驅動數(shù)據(jù)開展數(shù)字仿真和利用艙外服在真實艙段驗證的方法,完成氣閘艙艙外服組裝、檢查、測試、貯存和著裝場所的空間設計與驗證。

圖4 航天員在氣閘艙內操作仿真Fig.4 Simulation of astronaut operating in airlock module

2.1.3 氣閘艙艙門開啟助力設計

空間站氣閘艙采用艙門開啟助力設備設計,將神舟七號航天員在2kPa艙壓下著艙外服手拉式開門方式改進成助力裝置輔助泄壓方式,開門操作力從500N降到100N以下。圖5為航天員在軌打開氣閘艙出艙艙門。

圖5 航天員利用助力手柄打開出艙艙門Fig.5 An astronaut uses assisting handle to open hatch

2.1.4 泄復壓系統(tǒng)設計

氣閘艙泄復壓功能旨在對氣閘艙進行泄壓與加壓,滿足氣閘艙環(huán)境從艙內常壓環(huán)境到真空環(huán)境雙向過渡。在此期間,要配合航天員穿脫航天服,保護航天員安全過閘。

為解決密封艙泄壓系統(tǒng)和復壓系統(tǒng)均涉及到的出艙壓控系統(tǒng)安全性難題,制定泄復壓功能由泄壓、復壓2套系統(tǒng)互相獨立設計的方法。泄壓時,采用抽氣的方式將氣閘艙內的氣體抽送至大艙;復壓時,利用大艙進行復壓,實現(xiàn)氣閘艙部分氣體的復用,以節(jié)省氣體資源。圖6為泄復壓系統(tǒng)組成。

圖6 泄復壓系統(tǒng)組成Fig.6 Composition of pressure system

2.2 出艙活動艙外轉移支持技術

2.2.1 機械臂支持轉移和操作

航天員在艙外進行作業(yè)時,需要利用艙外腳限位器固定腳部,從而手部施力操作設備。空間站艙外操作項目均通過機械臂將航天員運送到工作地點,再利用機械臂上的腳限位器固定航天員腳部,航天員手部利用電動工具或徒手開展工作地點的維修任務。此種方式活動范圍廣,能夠較快地到達工作地點,同時,機械臂上可以攜帶在軌更換設備(ORU)和維修工具,運送方便快捷,具有較高的效率。航天員和機械臂及相關設備關系見圖7。

圖7 機械臂轉移航天員Fig.7 Robotic arm transferring an astronaut

2.2.2 自主轉移和操作

為保證航天員安全完成艙外自主轉移,空間站艙外自主轉移轉移路徑覆蓋所有操作點及機械臂適配器,確保艙外所有工作點均可達,保障發(fā)生任何故障時航天員均能轉移至氣閘艙。空間站艙壁表面設置出艙活動扶手(模型見圖8),航天員身著航天服進行艙外活動時方便移位并且提供位置限定,具有系繩連接點能夠適應系繩裝置掛鉤的使用。圖9為2名航天員在水下利用艙壁扶手自主轉移。

圖8 轉移扶手模型Fig.8 Model of a handrail

圖9 航天員利用艙壁扶手轉移的水下試驗Fig.9 Astronaut transfer using handrails in an underwater test

2.3 出艙活動通用設備設計

空間站航天員執(zhí)行出艙任務的工具及裝置,長期重復使用的主要包括艙外電動工具、微型工作臺、便攜式關節(jié)腳限位器和艙外操作臺。

電動工具由電機控制,以電池為能源,能夠固緊、拆裝螺釘,可以進行力矩、速度和旋轉圈數(shù)的設定,能夠方便航天員進行維修操作,減小航天員維修操作的工作量。電動工具組成見圖10。

圖10 出艙活動電動工具組成Fig.10 Composition of EVA electric tools

微型工作臺(模型見圖11)安裝在航天員艙外航天服的前面。它安裝在出艙服上,將電動工具和其他小工具固定,便于航天員攜帶操作工具出艙執(zhí)行任務。

圖11 出艙活動微型工作臺Fig.11 Mini-workstation for EVA

關節(jié)式腳限位器(模型見圖12)通過卡槽與機械臂或者空間站艙壁相連,根據(jù)任務需求,安裝在不同的工位上。當航天員出艙工作固定在腳限位器上時,腳限位器為航天員提供剛性的限位,使其能穩(wěn)定地工作。

圖12 關節(jié)式腳限位器Fig.12 Articulating portable foot restraint

艙外操作臺(模型見圖13)為機械臂上遠距離傳輸設備提供取放空間接口,艙外操作臺裝到便攜式腳限位器上以后可整體繞軸線±90°旋轉,航天員在軌可根據(jù)實際情況組合使用。

圖13 艙外操作臺使用圖Fig.13 Diagram of extra-vehicular operation console

2.4 出艙活動通信監(jiān)視保障技術

2.4.1 通信系統(tǒng)設計

空間站出艙通信系統(tǒng)主要包括有線通信、超高頻(UHF)無線通信和Wi-Fi無線通信。其中,有線通信(臍帶)和UHF無線通信能夠實現(xiàn)出艙航天員與艙內航天員、地面的雙向話音及生理遙測數(shù)據(jù)的傳輸,并經(jīng)過了神舟七號載人飛船飛行任務的驗證。

空間站出艙任務相比神舟七號載人飛船活動范圍,存在信息傳輸范圍大、機械臂上航天員轉移速度快等特點。因此,打開艙門后,航天員即斷開有線通信,艙外任務全程采用無線通信,艙外通信連接關系見圖14。

圖14 艙外航天服與艙載通信設備連接關系Fig.14 Connection relationship between an EVA suit and onboard communications devices

為確保信息傳輸多通道下行,艙外服攝像機圖像傳輸進密封艙及下行控制中心,空間站采用基于Wi-Fi技術的無線通信系統(tǒng)。空間站在核心艙艙外設計了3副Wi-Fi天線和3副UHF天線。在軌實測表明:航天員在艙外轉移期間圖像和艙外服數(shù)據(jù)均連續(xù),艙外信號滿足航天員轉移和操作區(qū)域通信暢通。

2.4.2 視頻系統(tǒng)設計

空間站2個氣閘艙內均配置了航天員過閘過程進行實時監(jiān)視攝像機;艙外配置了艙外照明系統(tǒng)和攝像監(jiān)視系統(tǒng),可全程跟蹤航天員艙外活動,對出艙操作對象提供監(jiān)視手段。圖15為艙外照明系統(tǒng)照明仿真效果,圖16為攝像監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視效果。

圖15 出艙活動照明仿真效果Fig.15 EVA lighting simulation effect

2.5 艙外服系統(tǒng)設計

空間站艙外服系統(tǒng)主要包括艙外服和艙外服相關支持裝備,見圖17。艙外服保障在空間站艙外開展任務的航天員的安全,艙載設備提供航天員穿著艙外服過閘過程的熱、電、信息系統(tǒng)支持。航天員出艙用的艙外服包括服裝面罩、服裝相機和艙外服相機,航天員艙外執(zhí)行任務時提供在艙外真空、高低溫交變工況下的壓力防護與熱防護、環(huán)控生保、信息管理、話音通信和攝像等保障支持。出艙活動支持裝備支持保障艙外服進出氣閘艙期間的任務,由服裝控制臺、服裝換熱器和空間站內回路組成。

圖17 艙外服系統(tǒng)組成Fig.17 Composition of EVA suit system

3 出艙活動主要技術特點分析

蘇聯(lián)/俄羅斯的和平號空間站在軌工作15年期間,36名航天員共計進行了80次出艙活動。現(xiàn)役的“國際空間站”,航天員可以從探索號聯(lián)合氣閘艙和星辰號氣閘艙分別出艙,平均每年出艙10次左右,開展了大量的航天員出艙組裝建造任務。我國空間站從2021年核心艙發(fā)射以來,通過11次出艙任務驗證了出艙系統(tǒng)設計的可靠性和可行性。我國天宮空間站與神舟七號、和平號、“國際空間站”出艙活動能力對比見表2。可以看出:我國空間站機械臂在支持航天員過閘和艙外轉移能力等關鍵指標上與國際一流水平相近[9-10]。

表2 出艙活動能力對比Table 2 Comparison of EVA capabilities

目前,我國空間站11次出艙任務中有4次是利用核心艙節(jié)點艙出艙,其余7次通過問天實驗艙專用氣閘艙出艙,航天員操作對象范圍覆蓋空間站3艙所有艙外操作位置。通過機械臂轉移航天員和航天員自主轉移相結合的快速轉移方法,滿足多艙段、多任務艙外工作點在既定時間約束下,解決航天員跨艙段大范圍轉移、在工作點體位固定及維修設備轉移的三大難題。出艙氣體復用率最大值達到了73.4%,優(yōu)于“國際空間站”70.0%的氣體復用能力,每年可節(jié)省約124kg氣體,艙載支持設備和艙外服對航天員艙外活動保障時間約8h,遠大于空間站各艙外操作任務的時間約束。出艙活動技術滿足艙外設備和載荷照料要求,整體技術達到國際先進水平。

4 在軌應用和后續(xù)發(fā)展

將出艙活動通用設計與實施技術進行在軌應用,在空間站神舟十二至神舟十五乘組已經(jīng)開展的11次出艙任務中,航天員按各次任務計劃完成艙外全部預定任務,保障了空間站長期在軌駐留。其中,通過出艙任務完成的艙外擴展泵組的安裝,將安裝在資源艙內不可維修的外路泵組全部更換為可維修泵組,將各艙的回路壽命提高5年以上,安裝過程見圖18;全景相機的抬升,將相機的有用視場角由70°增加為90°,視場變化見圖19。

圖18 艙外擴展泵組的安裝Fig.18 Installation of extra vehicular pumps

圖19 全景相機抬升前后視場變化Fig.19 Field of view before and after panoramic camera lifting

本文提出的空間站面向多任務、復雜出艙活動通用設計與實施技術,是保證空間站組裝建造及后續(xù)長期飛行15年任務順利完成的保障,為航天員在多個航天器形成的組合體開展出艙任務提供了飛行試驗數(shù)據(jù),積累了寶貴經(jīng)驗。研究成果可直接應用在空間站后續(xù)艙段擴展、光學艙艙外維修任務及艙外科學實驗設備艙外安裝等任務中。系統(tǒng)的出艙活動方案設計方法也可推廣到探月工程和行星際空間的航天員開展飛行器密封艙外操作任務中。

5 結束語

本文介紹了我國空間站出艙活動系統(tǒng)總體通用技術和實施技術設計,并與國外同類技術的關鍵參數(shù)進行了對標。天宮空間站在軌前11次出艙任務執(zhí)行情況表明:空間站出艙通用技術和實施技術設計合理,有利地保證了空間站出艙活動的圓滿成功,具有工程實用價值。未來隨著載人探測任務需求的不斷提升,出艙活動技術能夠在更多的空間技術領域中得到應用。