支持航天員操作的電連接器設計與驗證

周垚 汪靜 姜偉

(1 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094) (2 航天物聯網技術有限公司,北京 100190)

空間站作為復雜度最高的載人航天器系統,具有在軌長壽命的特點,電子設備在長達十余年的在軌飛行中面臨失效風險,需要對能源、環熱控、通信網、航天員駐留支持、空間應用支持等關鍵功能、重要設備進行在軌維修活動[1-2],要求空間站可維修設備的關鍵接口器件具備航天員在軌操作性。目前,國內航天員在軌支持電連接器無成熟產品,研究尚處于技術積累階段,國外代表產品有法國SOURIAU公司的MAXI-D矩形電連接器,應用于“國際空間站”阿爾法(Alpha)項目;美國AMPHENOL公司的Zero-G圓形電連接器,應用于阿波羅號、月球漫游者號、太空實驗室等項目。

本文介紹了一種基于復雜航天器系統功能實現開展關鍵元器件功能性能匹配設計的方法,結合空間站任務對航天員在軌支持電連接器的研制需求進行分析,提出電連接器的總體設計原則,對設計及驗證方法進行詳細介紹,最后給出在軌應用情況。

1 任務需求分析

航天員操作支持電連接器關系著空間站系統功能和任務成敗,對確保航天員順利開展在軌維修活動,提升系統可靠性、保證設計壽命具有十分重要的意義。空間站任務對航天員在軌支持電連接器的研制提出了新需求。首先,航天員艙外活動(EVA)時,面臨嚴格的時間窗口限制,航天服內的壓力會導致手部關節的活動能力下降,維修操作的自由度受限,可達區域減小,航天員的抓握狀態受限、手腕活動狀態受限[3-5],電連接器的構型設計要充分考慮維修效率和安全性,要求操作過程盡量簡潔、高效、準確,依靠單手即可完成[6];其次,航天員受頭盔視野限制,可視范圍減小,電連接器的防誤定位識別設計要克服強弱光、視線等各種不利環境因素,便于航天員判斷是否插合到位;再次,電連接器從性能上還需適應復雜的在軌長壽命空間環境。綜上,現有常規電連接器已不能滿足空間站系統任務要求,如在軌維修設備缺少自主可控接口器件,將為空間站系統功能實現帶來風險,需要新研關鍵器件來實現在軌維修的核心技術能力。

2 電連接器設計方法

2.1 設計原則

以保證空間站系統在軌維修關鍵功能的實現為目標,通過系統設計與器件功能性能的匹配確保系統功能實現,設計滿足型號使用需求的自主可控器件,遵循以下設計原則:①設計應具備在軌可操作性,滿足航天員單手操作時“抓握定位、插拔力、安全性”等人因工效學要求;②充分考慮器件在太空長期暴露、多頻次插拔等特殊使用特性,應重點開展空間環境耐輻照、高低溫容差、防真空冷焊等環境適應性設計;③應貫穿型號研制全流程充分開展器件級、設備級至系統級總體設計驗證。

2.2 在軌操作性設計

2.2.1 抓握構型及快速定位識別設計

面向航天員在軌操作支持,對電連接器抓握區域采取“防滑、卡位、防脫”等設計手段提升抓握舒適度,如圖1所示,以JYH系列航天員操作支持電連接器為例進行說明。電連接器抓握結構匹配飛天航天服的特性,設計為特殊的“酒杯狀”構型,能夠有效為航天員提供操作時的發力點,并與卡鉤配合實現抓握導向,可防滑脫,最大程度降低航天員抓握時手部壓力;抓握區域為兩側卡勾外切圓導向區域,其中,整體抓握區域長度設計范圍為40～50mm,與手指貼合區域寬度設計范圍為20～30mm,經過多次工效學試驗驗證,參考航天員手部自然張合尺寸及航天服的手套尺寸,采用了大面積接觸的卡鉤,增加抓握接觸面積,提升航天員在著航天服手套后的操作手感;同時,結構上設計了上限位區域和下限位區域,分別在電連接器插入和拔出時提供限位支撐,輔助航天員完成定位、鎖緊等動作。

相對傳統電連接器的鎖緊結構,航天員操作支持電連接器采用專門的卡勾鎖緊推拉式結構,便于航天員單手鎖緊,且外部占用空間小,在卡勾與電連接器的固定中,卡勾的扭轉重心設計在其鉚接處,避免因為瞬間的加速度變化影響鎖緊特性,從而大幅提升振動環境下的電連接器插合的可靠性。

圖1 JYH系列電連接器構型設計Fig.1 Configuration design of JYH series connectors

考慮到航天服的手套靈活性受限,JYH系列電連接器設計為通過頂住電連接器尾部的輔助插合面完成對準操作,在一定的角度內插合后,即可搭接在插座殼體中,電連接器底座的外壁面兩段分別設置一條標示線(如圖2所示,標識1),插頭卡勾端頭與插座限位凸臺鎖緊到位后,標示線與插頭尾部的標示線二者位于同一直線上;插頭殼體外壁面設置圓形防誤插識別標識(如圖2所示,標識2),同時,與插頭配合的插座外壁設置觀察通孔,當插頭與插座鎖緊到位后,可以透過通孔完整看到圓形標識,實現快速定位識別。

圖2 JYH系列電連接器插合定位設計Fig.2 Identification and location design of JYH series connectors

2.2.2 低插拔力設計

航天員操作支持電連接器的接觸件包括低頻、射頻、功率、1553B、高速、光等多種接觸件的傳輸形式,為保障航天的操作手感,對每種型譜的接觸件進行單獨的低插拔力優化設計,確保其總的插合力滿足嚙合力和分離力的工效學指標,不會因為電連接器型譜的變化而產生過大的插拔力離散效應,使航天員在操作時始終保持相對舒適的手感。具體地,低插拔力主要從“插合精度控制”、“接觸件的固定和插合方式”兩方面進行設計實現[7]。

1)插合精度最優控制

考慮到航天服的抓握插合特性,若插合精度太高,會導致頭座配合時的卡澀手感,影響航天員的插合手感判斷,并且需要考慮在大溫差環境下的熱脹冷縮的使用特性,避免在大溫差的插合條件下產生干涉的問題;若精度過低,接觸件間匹配尺寸過于松弛,將影響電連接器的耐力學抗振性能,因此,插合精度需控制在最優范圍內,使電連接器在滿足耐力學性能的基礎上保證航天員手肘及手腕在小幅度范圍動作即可單手完成電連接器的插拔操作。

航天員操作支持電連接器采用了“殼體—絕緣體—接觸件”三級導向插合結構設計,配合電連接器接觸件大浮動間隙實現整體插合過程優化控制。將傳統殼體導向柱精確定位的方式優化為大間隙、深配合的結構形式,一方面通過大間隙實現殼體插合易對準,同時預留極限高低溫插拔溫變余量;另一方面通過加大導向配合深度,約束接觸件對準,實現接觸件的有效對插。

2)接觸件的固定和插合方式

相對于傳統的電連接器,在接觸件固定結構上采用了大擺動空間設計,去除了封線體等約束結構,在電連接器實現多芯插合時,獨立接觸件傾斜導向插合,自適應降低由于分布精度帶來的正壓力,以達到整體降低插拔力的效果。

2.2 安全性設計

為確保操作過程無劃破航天服風險、無導致航天員受傷的風險,提出了電連接器的裸手觸感較光滑設計要求,對尾端結構等插合、鎖緊及分離過程中裸手可以觸及的位置進行倒圓角設計,消除機械銳邊,確保在操作產品時不會出現“掛手”現象。確保了航天員操作電連接器消除了突出棱角,無機械銳角、毛刺、銳邊和突出物等帶來的安全隱患,對在軌操作活動提供了安全保障。

2.3 環境適應性設計

2.3.1 耐輻照設計

空間輻照是航天器電子設備在軌故障的主要原因之一,非金屬材料直接暴露在大劑量宇宙輻射下,易硬化、開裂、降解,導致電連接器絕緣電阻下降,產生漏電、耐壓擊穿等故障,進而發生電子設備功能失效。以我國空間站為例,設計壽命為15年,輻射總劑量大于9×106rad[1],因此在設計航天員艙外維修操作電連接器時,裸露面不應采用環氧膠、硅橡膠、氟硅橡膠類耐輻照能力弱的材料,推薦采用玻璃、陶瓷等無機材料或耐輻射能力好的有機材料,如聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺(PEI)等作為絕緣材料。

2.3.2 耐寬范圍溫度多頻次沖擊設計

受太陽照射等因素影響,航天員操作支持電連接器插頭和插座間可能由于所處的位置和角度的不同將出現極大的溫差,在軌運行時經歷的溫差較大(背向太陽時-100℃,面向太陽時+180℃),帶來嚙合力和分離力變化的潛在風險。通過對材料耐高、低溫性能參數設計分析及多頻次高低溫沖擊影響分析,對金屬彈性零件極限高低溫狀態長時間工作應力-應變的分析,開展溫度容差設計,對插配溫差進行分析并從電連接器塑料、橡膠件及金屬彈性件材料選取、電連接器插配溫差結構設計上制定相應解決措施,確保其在范圍溫度多頻次沖擊影響環境下產品性能的穩定性,以解決插頭插座電連接器的相對溫差造成熱脹冷縮效應而出現插拔卡澀,甚至無法插拔的問題。

2.3.3 防真空冷焊設計

電連接器發生冷焊的本質原因是在真空環境下,金屬界面處金屬原子相互擴散形成新的金屬鍵結合,導致接觸界面處塑性變形力大于外部分斷力,現象表現為經過長期在軌運行,電連接器無法正常解鎖。空間站在軌運行時間15年,防真空冷焊設計是航天員在軌操作支持電連接器的關鍵技術之一。

在工作溫度范圍內,從設計上保證電連接器外部分斷力與接觸面所受正壓力的處于限定范圍內,是防止電連接器發生冷焊現象的充分條件[7]。根據JYH電連接器插頭與插座構型設計,其接觸面所受正壓力來自于扭簧,傳導至卡勾與插座殼體之間產生的正壓力(如圖3所示)。根據電連接器兩個接觸表面在發生塑性變形接觸時,其接觸面積、接觸面金屬鍵結合力、接觸面所受正壓力、材料硬度、材料極限屈服強度對電連接器勾與殼體間的金屬鍵結合力進行力學仿真,計算發生冷焊需扭簧扭力為288.9N[7];同時對電連接器插拔操作時扭簧扭力進行實際測量,結果表明:JYH系列電連接器的扭簧自由狀態下,扭簧的張開角度為70°(扭力數值為18.496N);卡鉤在閉合狀態時,扭簧的張開角度為15°(扭力數值為22.866N);卡鉤在張開狀態時,扭簧的張開角度為2°(扭力數值為15.826N),均遠小于冷焊發生條件,從設計上保證電連接器不會發生冷焊。

圖3 JYH系列電連接器受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of JYH series connectors

2.4 維修性驗證

空間站維修性驗證與評價應結合地面模擬試驗和在軌飛行試驗等多種方法進行[8]。通過對各類方法進行多維比較,按分步歸類的思路,提出了與型號研制充分結合的適用于航天員操作支持電連接器的維修性驗證方法。

2.4.1 維修性驗證流程設計

與型號研制充分結合,與系統設計同步開展,方案階段即開始對電連接器設計方案進行工效學評價;初樣階段通過多次分步驟進行器件級、設備級維修性驗證;正樣階段開展系統級維修性驗證。電連接器維修性驗證流程如圖4所示。

圖4 電連接器維修性驗證流程Fig.4 Maintainability verification process of connectors

2.4.2 人因工效學評價要素及要求

為進一步對電連接器操作的可行性、操作性能等進行評判,按照航天員人因工效學要求的全部評價要素,對電連接器操作力、防滑、對位、操作方式、抓握尺寸、安全性、操作反饋等操作性能進行驗證。工效學評價要素及要求見表1。

表1 工效學評價要素及要求Table 1 Ergonomicevaluation elements and requirements

2.4.3 低壓手套模擬箱試驗

低壓手套模擬箱通常包括真空泵、壓阻真空計、艙體、艙門和試驗手套[9]。采用低壓手套模擬箱,可模擬航天員在穿著航天服手套后的狀態,當手套加壓時,氣密層膨脹,材料變得堅硬,航天員關節部位彎曲時即會產生阻抗力,從而模擬艙外環境,對電連接器的操作空間、插拔力、防誤定位等操作性能進行評估和驗證[10](見圖5)。如圖5所示,試驗驗證內容主要包括:①著艙外服手套加壓狀態下電連接器關鍵設計參數驗證。通過在試驗箱中,模擬航天服內外壓差,對電連接器進行插拔操作,對比裸手和航天服手套在模擬艙中的偏差,研究手指及手腕的受限情況,對電連接器關鍵設計參數進行驗證;②電連接器布局及操作空間試驗驗證。通過在一種電連接器水平及垂直方向周圍布局多個電連接器,進行水平、垂直、斜向插合試驗,最終確定操作所需的包絡尺寸,評估電連接器操作空間、插拔力、防誤定位是否滿足艙外維修活動需求。

圖5 低壓手套模擬箱內開展電連接器維修性試驗Fig.5 Connector maintainability experimentation in low-pressure simulation cabin

2.4.4 中性浮力水槽模擬失重試驗

正樣階段,跟隨整艙在中性浮力水槽中進行模擬失重試驗,進一步對航天員操作支持電連接器的操作力、抓握尺寸、安全性、操作反饋等內容進行驗證,同時對艙外可維修單元電連接器布局和操作空間的合理性進行考核,評估在軌操作是否具備可達性,防止維修中與艙體結構或其他艙外部件發生干涉。

3 在軌應用情況

我國空間站在軌運行15年期間,約千余臺電子設備需要開展在軌維修,其中艙外可維修設備超過10%,廣泛應用的JYH系列航天員操作支持電連接器逾500余只,傳輸包括功率、射頻、1553B、光等信號,目前在軌已成功開展多次出艙活動,如航天員通過操作JYH系列電連接器,對艙外全景攝像機進行轉移抬升,以擴展攝像機的視角,幫助地面飛控系統更好地監視整個艙體的情況等。經多次EVA驗證,該類電連接器具備航天員在軌可操作性,能夠高效、可靠、安全地支持航天員出艙開展維修活動。

4 結束語

本文介紹了航天員操作支持電連接器在軌操作性設計、安全性設計、環境適應性設計等多項關鍵技術,提出針對該類電連接器的器件級、設備級及系統級維修性驗證方法。在軌驗證結果表明:該類電連接器有效保證了空間站系統在軌維修、航天員出艙等重大功能和任務的實現,可在長期在軌運行的載人航天器上推廣應用。