大型載人航天器艙外試驗支持技術(shù)

李喆 羅文成 王蔡健 周濤

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2 上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

開展大規(guī)模的空間科學(xué)實驗與技術(shù)試驗是大型載人航天器的重要任務(wù)[1-6]。在大型載人航天器開展的空間科學(xué)實驗與技術(shù)試驗可分屬三大類,即密封艙內(nèi)試驗、非密封艙內(nèi)試驗和艙外試驗。艙外試驗主要研究內(nèi)容包括以下4個方面:①對地進行全球觀測和對“天(太陽系、銀河和宇宙)”進行天文探測;②探測空間環(huán)境(超高真空、微重力、來自太陽/銀河及宇宙中的各種輻射),研究空間物理學(xué)(日地環(huán)境、空間等離子體、磁場、高能粒子、原子氧、隕石);③航天工程材料、元部件和系統(tǒng)的性能檢驗;④空間生物學(xué)問題研究(輻射生物學(xué)、天體生物學(xué)和行星際生物的遷移等)[7]。

大型載人航天器配置了艙外試驗平臺,為艙外載荷提供標(biāo)準(zhǔn)的機械安裝、供電、信息、熱控等保障資源,特別在運輸飛船、航天員、貨物氣閘艙、機械臂配合下,可實現(xiàn)艙外載荷在軌安裝和回收,進而實現(xiàn)艙外載荷的在軌更迭和輪換,支持大型載人航天器運營期內(nèi)艙外試驗支持資源的重復(fù)使用、持續(xù)滾動開展多種學(xué)科類型的艙外試驗。本文就大型載人航天器艙外試驗平臺總體設(shè)計、對艙外載荷保障資源、應(yīng)用流程和地面驗證情況進行闡述,對在軌應(yīng)用情況進行介紹,并提出了后續(xù)應(yīng)用展望,可為后續(xù)工程應(yīng)用提供參考。

1 艙外試驗支持技術(shù)

1.1 艙外試驗平臺總體設(shè)計

依據(jù)能否通過貨物氣閘艙自動進出艙,將大型載人航天器艙外載荷分為標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷和大型艙外載荷兩種類型。其中標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷尺寸相對較小,可安裝在運輸飛船密封艙內(nèi)上行,并可通過貨物氣閘艙自動進出艙;大型艙外載荷尺寸相對較大,需安裝在運輸飛船開放式貨艙內(nèi)上行,無法進入密封艙。依據(jù)兩類艙外載荷的特點,分別設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺和大型艙外載荷試驗平臺,對艙外載荷試驗進行支持。

1)標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺

大型載人航天器在艙外對天面、對地面、迎風(fēng)面、背風(fēng)面均設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺,滿足不同指向類型的艙外載荷布置需求。單發(fā)大型載人航天器一般可支持20～30個標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷開展試驗。

標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺與標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷的接口設(shè)備為載荷適配器。載荷適配器分為主動端和被動端兩部分。載荷適配器主動端安裝在艙外載荷上,載荷適配器被動端安裝在試驗平臺上,通過載荷適配器主、被動端在軌鎖緊或解鎖實現(xiàn)艙外載荷在試驗平臺上的安裝或拆卸,同時實現(xiàn)試驗平臺對艙外載荷供電、信息、熱控流體回路(可選)的接通或斷開。載荷適配器根據(jù)是否具備為標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷提供流體回路散熱支持,分為載荷適配器I型(無流體回路散熱支持)和載荷適配器II型(有流體回路散熱支持)兩種。載荷適配器產(chǎn)品外形圖1所示。

圖1 載荷適配器外形圖Fig.1 Outline drawing of load adapter

標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷由載荷本體、載荷適配器主動端、機械臂目標(biāo)適配器組成。載荷本體尺寸受大型載人航天器對接通道通過性約束,長、寬最大為600mm,高最大為500mm,質(zhì)量最大為160kg。按照載荷適配器主動端、機械臂目標(biāo)適配器相對安裝位置,可分為對面安裝方式標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷、垂直安裝方式標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷,如圖2和圖3所示。

圖2 對面安裝方式標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷Fig.2 Standard extravehicular load of opposite installation method

圖3 垂直安裝方式標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷Fig.3 Standard extravehicular load of vertical installation method

2)大型艙外載荷試驗平臺

大型載人航天器艙外可設(shè)置大型艙外載荷試驗平臺,開展在軌試驗。

大型艙外載荷試驗平臺與大型艙外載荷的接口設(shè)備為停泊裝置。停泊裝置同樣分為主動端和被動端,如圖4所示。停泊裝置主動端安裝在艙外載荷上,被動端安裝在試驗平臺上,通過停泊裝置主、被動端在軌鎖緊或解鎖實現(xiàn)艙外載荷在試驗平臺上的安裝或拆卸,同時實現(xiàn)試驗平臺對艙外載荷供電、信息、熱控流體回路的接通或斷開。

圖4 停泊裝置外形圖Fig.4 Schematic diagram of mooring device

大型艙外載荷由載荷本體、停泊裝置主動端、機械臂目標(biāo)適配器組成。大型艙外載荷尺寸受運輸飛船開放式貨艙包絡(luò)約束,長最大為2000mm,寬最大為1650mm,高最大為1200mm,質(zhì)量最大為2000kg。大型艙外載荷上停泊裝置主動端、機械臂目標(biāo)適配器對面安裝,如圖5所示。

圖5 大型艙外載荷Fig.5 Large extravehicular load

1.2 對艙外載荷支持設(shè)計

1)供電支持

艙外試驗平臺為每個標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷和大型艙外載荷均提供1路直流供電支持,電壓為100V。

2)信息支持

艙外試驗平臺為每個標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷和大型艙外載荷均提供1路1553B總線接口和1路以太網(wǎng)接口的信息支持。

1553B總線接口用于傳輸控制指令、注入數(shù)據(jù)、部分數(shù)字量遙測和部分試驗數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)接口用于高速傳輸控制指令、注入數(shù)據(jù)、數(shù)字量遙測和試驗數(shù)據(jù)。

3)熱控支持

大型載人航天器設(shè)置艙外載荷流體回路,為安裝在載荷適配器II型上的標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷以及大型艙外載荷提供流體工質(zhì)散熱支持。

安裝在艙外試驗平臺載荷適配器I型上的標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷采用被動式散熱方式,通過在艙外載荷上開辟散熱面解決散熱問題。

4)進出艙支持

利用大型載人航天器的貨物氣閘艙、載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)等設(shè)備,在艙內(nèi)航天員、艙外機械臂操作配合下,自主完成標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷進出密封艙,如圖6所示。

圖6 貨物氣閘艙示意圖Fig.6 Schematic diagram of cargo airlock

貨物氣閘艙和載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)允許轉(zhuǎn)運貨物的最大質(zhì)量和包絡(luò)尺寸大于標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷的質(zhì)量和包絡(luò)尺寸。

載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)上可安裝載荷適配器被動端,標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷通過載荷適配器實現(xiàn)與載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)的連接或分離,如圖7所示。

圖7 載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷連接圖Fig.7 Load transfer mechanism and standard extravehicular load connection diagram

5)機械臂操作支持

(1)接口設(shè)備

機械臂與艙外載荷的接口設(shè)備為機械臂目標(biāo)適配器。機械臂通過抓取安裝在艙外載荷上的機械臂目標(biāo)適配器實現(xiàn)對艙外載荷的機械連接,并實現(xiàn)供電、1553B總線、圖像低壓差分信號(LVDS)接口通路的接通。

(2)轉(zhuǎn)運支持

機械臂一端抓取大型載人航天器艙壁上的機械臂基座,另一端抓取艙外載荷,通過各關(guān)節(jié)運動,實現(xiàn)艙外載荷在大型載人航天器艙外轉(zhuǎn)運[8-9]。

(3)電氣支持

機械臂操作艙外載荷過程中為艙外載荷提供以下3種類型電氣支持。

①供電支持:機械臂為艙外載荷提供1路直流供電支持,電壓為100V。供電母線接入載荷適配器/停泊裝置主動端,然后由載荷適配器/停泊裝置主動端分路后再轉(zhuǎn)移供電至艙外載荷本體。

②通信支持:機械臂為艙外載荷提供兩路1553B總線接口,分別用于傳輸艙外載荷本體和載荷適配器/停泊裝置主動端的總線指令、注入數(shù)據(jù)及數(shù)字量遙測數(shù)據(jù)。

③圖像傳輸支持:機械臂操作大型艙外載荷時,停泊裝置主動端配置視覺測量相機,具備成像功能,并將圖像數(shù)據(jù)通過LVDS接口傳輸至機械臂末端處理器,由機械臂末端處理器根據(jù)圖像數(shù)據(jù)解算視覺測量相機光軸相對于停泊裝置被動端上相機靶標(biāo)的位姿,用于機械臂操作大型艙外載荷安裝/拆卸過程中的視覺伺服閉環(huán)控制。

1.3 艙外試驗平臺應(yīng)用流程

標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷出艙安裝流程為:標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷安裝在運輸飛船密封艙內(nèi)運抵大型載人航天器→航天員打開貨物氣閘艙內(nèi)艙門→載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)伸入工作艙內(nèi)→航天員將標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷通過載荷適配器安裝在載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)上→載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)縮回至貨物氣閘艙內(nèi)→航天員關(guān)閉貨物氣閘艙內(nèi)艙門→貨物氣閘艙泄壓→貨物氣閘艙外艙門自動打開→載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)自動伸出將標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷送出艙外→機械臂抓取標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷→標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷通過載荷適配器與載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)解鎖→機械臂將標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷從載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)上取下→機械臂大范圍轉(zhuǎn)運標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷至標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗平臺→機械臂控制載荷適配器主被動端捕獲→載荷適配器主被動端鎖緊→機械臂釋放標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷并撤離,如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷出艙安裝示意圖Fig.8 Standard extravehicular load installation diagram

大型艙外載荷在軌安裝流程為:大型艙外載荷安裝在運輸飛船貨艙運抵大型載人航天器→機械臂抓取大型艙外載荷→大型艙外載荷與運輸飛船上行連接機構(gòu)解鎖→機械臂將大型艙外載荷從運輸飛船貨艙取出→機械臂大范圍轉(zhuǎn)運大型艙外載荷至大型載人航天器艙外待安裝位置→停泊裝置主被動端捕獲并鎖緊→機械臂釋放大型艙外載荷并撤離。

艙外載荷在軌工作流程為:試驗平臺對艙外載荷供電、信息通道接通→艙外載荷流體回路對艙外載荷流體閥門接通→艙外載荷開展試驗→艙外載荷流體回路對艙外載荷流體閥門關(guān)閉→試驗平臺對艙外載荷供電、信息通道斷開。

艙外載荷在軌回收流程為安裝流程的逆過程。

2 地面驗證

2.1 綜合測試

地面綜合測試階段,開展以下艙外試驗平臺支持資源驗證工作。

(1)安裝互換性測試:利用多個載荷適配器/停泊裝置主動端,與艙上載荷適配器/停泊裝置被動端逐一對接、鎖緊。

(2)電氣接口測試:利用艙外載荷標(biāo)準(zhǔn)件,逐一對艙上載荷適配器/停靠裝置被動端輸出的供電、信息接口進行測試。

測試結(jié)果表明:艙外試驗平臺載荷適配器/?？垦b置被動端可支持后續(xù)上行艙外載荷在軌安裝,試驗平臺與艙外載荷間供電、信息接口匹配。

2.2 真空熱試驗

真空熱試驗期間,在載荷適配器II型被動端、載荷適配器I型被動端、停泊裝置被動端上分別安裝艙外載荷熱試驗件,對試驗平臺對艙外載荷熱支持資源進行測試。試驗結(jié)果表明,艙外載荷流體回路可正常將艙外載荷熱量散出,試驗平臺與艙外載荷間熱接口匹配。

2.3 機械臂操作艙外載荷專項試驗

在氣浮臺上開展了機械臂從載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)/開放式貨艙取下艙外載荷、機械臂轉(zhuǎn)運艙外載荷、機械臂在試驗平臺安裝艙外載荷全流程驗證(如圖9所示)[9],結(jié)果表明機械臂與艙外載荷間供電、1553B總線、圖像LVDS傳輸接口匹配,機械臂與載荷適配器/停泊裝置操作協(xié)同正確。

圖9 機械臂氣浮臺試驗Fig.9 Mechanical arm air flotation platform test

2.4 載荷進出艙專項試驗

開展了貨物氣閘艙載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)伸入工作艙、操作員安裝載荷、機構(gòu)縮回、關(guān)閉艙門、載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)轉(zhuǎn)動、外艙門開啟、載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)伸出艙外等全流程驗證,結(jié)果表明,貨物氣閘艙自動進出載荷時序設(shè)計合理,與進出艙載荷接口匹配,能夠完成載荷進出艙任務(wù)。

3 技術(shù)特點分析

1)智能化水平高

通過使用智能化的載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)、外艙門、機械臂和載荷適配器/停泊裝置,在無需航天員出艙的情況下,即可實現(xiàn)艙外載荷在密封艙內(nèi)外的自動轉(zhuǎn)移、在艙外大范圍自動轉(zhuǎn)運、在艙外試驗平臺上自動拆裝,有效避免了航天員出艙安裝載荷帶來的任務(wù)風(fēng)險和航天服壽命折損問題,節(jié)約航天員出艙活動所需的在軌工作時間和運營成本,極大提高了在軌應(yīng)用效率。

2)試驗支持能力強

得益于艙外載荷集成化、小型化設(shè)計,結(jié)合采用集中式艙外試驗平臺等技術(shù),單發(fā)大型載人航天器即可支持20～30個標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷在軌開展試驗,支持標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷的數(shù)量大于國際上同類型的大型載人航天器。同時大型載人航天器艙外試驗支持資源均采用了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計,保障艙外試驗項目可持續(xù)輪換和更替,最大限度發(fā)揮大型載人航天器應(yīng)用效能。

4 在軌應(yīng)用與展望

在軌開展了大型載人航天器標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷出艙安裝和回收進艙任務(wù),如圖10所示[10-11]。標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷在艙外試驗平臺安裝到位后,平臺對載荷供電、信息、熱控流體回路接通,載荷正常開展在軌測試和試驗。大型載人航天器艙外試驗支持技術(shù)完成了在軌驗證,可支持大規(guī)模艙外試驗持續(xù)開展。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷出艙安裝Fig.10 Installation of standard extravehicular load

此外,大型載人航天器艙外試驗支持資源還可應(yīng)用于在軌服務(wù)和在軌設(shè)施建造任務(wù)。例如,其他?？看笮洼d人航天器的在軌飛行器,可利用大型載人航天器的機械臂將停靠飛行器的部分模塊通過貨物氣閘艙轉(zhuǎn)運進艙,由航天員對進艙模塊進行維修維護;在大型載人航天器艙外空間天線、望遠鏡等復(fù)雜設(shè)施的在軌組裝建造過程中,可利用貨物氣閘艙將組裝模塊轉(zhuǎn)運出艙,由機械臂轉(zhuǎn)運安裝至艙外試驗平臺,在艙外試驗平臺上逐步完成大型設(shè)施組裝制造。

5 結(jié)束語

大型載人航天器艙外試驗支持系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷和大型艙外載荷為支持對象,提供標(biāo)準(zhǔn)化的安裝、供電、信息、熱控等支持資源,并可實現(xiàn)艙外載荷的自動部署和回收,保障大型載人航天器運營期內(nèi)艙外試驗項目持續(xù)輪換、重構(gòu)和擴展。經(jīng)地面和在軌飛行驗證表明,大型載人航天器艙外試驗支持技術(shù)設(shè)計合理,有利保證了艙外試驗任務(wù)的圓滿成功,具有工程實用價值。隨著載人航天事業(yè)的不斷發(fā)展,本文提出的艙外試驗支持能夠為后續(xù)的載人航天器型號提供有益的參考。