空間綜合材料科學實驗裝置的設計與實現

崔曉杰，陸登柏，張正軍

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空間綜合材料科學實驗裝置的設計與實現

崔曉杰，陸登柏，張正軍

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

為了滿足各種材料在空間進行科學實驗的目的，設計了能在空間長期工作的綜合材料科學實驗裝置。文章詳細介紹了該裝置中的樣品提拉機構、樣品夾具結構和人機工效學的設計過程。實驗結果驗證了設計理論和方法的可行性和實用性；實驗裝置運行平穩、可靠，實驗樣品完整、無損傷。該裝置首次實現了多批次樣品的管理和更換功能以及在軌人工參與操作功能。

綜合材料科學實驗；實驗裝置設計；樣品提拉機構；樣品夾具結構；人機工效學；微重力；空間材料科學

0 引言

材料科學主要研究物質結構、屬性和加工過程之間的關系。在地面上，這些關系受重力的強烈影響。而在空間微重力環境下，浮力對流、沉淀、流體靜力學壓力等因素的影響變得很弱甚至消失，并且材料容器對最終產品的污染和影響還可消除，這使得“無模過程”成為可能，由此空間材料科學成為一項非常重要的課題[1-3]。要推動空間材料科學長期可持續發展，就必須不斷提高空間材料實驗裝置的性能和技術水平，不斷優化完善其功能。

國際空間站（ISS）是當今世界上最大的載人航天器，代表了載人航天技術發展的綜合成就。在ISS的科學研究活動中，美國航空航天局（NASA）的“命運”號實驗艙（Destiny）、歐空局（ESA）的“哥倫布”實驗艙（Columbus），日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的“希望”號實驗艙（Libo）以及由俄羅斯空間局研制的POLIZON空間爐均安排了獨立的材料實驗，借此開展空間材料科學及相關交叉學科的科學實驗研究[4-5]。

我國從1987年開始，陸續利用返回式衛星、科學實驗衛星、載人飛船等進行了多次空間材料實驗。多工位晶體生長爐是我國研制成功的第一臺采用閉環控制多樣品的空間材料實驗裝置。它在一次飛行試驗中可以進行6種以上材料的空間實驗[4,6-7]。總體上我國以往的空間材料實驗裝置大多數是單一設備，所支持的科學研究類型有限，不能進行多工位多批次的綜合材料科學實驗。

本文針對載人航天工程空間應用系統“天宮二號”任務中的綜合材料實驗項目，設計了綜合材料科學實驗裝置，創建能在空間長期工作的材料科學實驗平臺，使其在軌飛行期間能滿足現階段半導體光電子材料、金屬合金及亞穩材料、新型功能單晶、納米及復合材料等材料的空間制備實驗需求，為制備高性能材料以及深入開展材料機理研究提供技術支撐。以下介紹該裝置的設計原理及方法，并研究實驗樣機的工作性能。

1 實驗裝置組成及工作原理

空間綜合材料科學實驗裝置需要滿足：多批次樣品的管理和更換；在軌人工參與操作；材料實驗所需的真空環境。因此其設計準則為：1）運動機構必須平穩、可靠，可準確將6工位樣品送入加熱爐爐膛；2）樣品夾具必須可多次使用，夾具的夾持力必須保持在要求的范圍內；3）裝置的人機工效學設計必須滿足在軌人工參與操作的要求。根據功能要求設計的綜合材料科學實驗裝置結構如圖1所示。

1. 傳動機構；2. 真空室開蓋把手；3. 樣品夾具；4. 真空殼體；5. 實驗樣品；6. 加熱爐；7. 真空室。

綜合材料科學實驗裝置由傳動機構、實驗樣品、樣品夾具、加熱爐、真空室以及開蓋把手等組成。傳動機構實現實驗樣品的轉位運動和提拉運動。樣品夾具夾持實驗樣品，提供滿足要求的夾持力。加熱爐實現實驗樣品的加熱。真空室提供實驗所需的真空環境。本設計最大的特點在于利用最小空間容納最多樣品實驗；機構運行平穩，密封性能良好，航天員通過開、合蓋操作可進行多批次樣品實驗。

2 實驗裝置的設計

2.1 樣品提拉傳動機構

空間綜合材料科學實驗裝置的傳動機構由6工位轉動傳動機構和樣品提拉傳動機構兩部分組成。其中樣品提拉傳動機構（如圖2所示）由電機組件、磁傳動組件、主動齒輪、安裝板、從動齒輪、提拉撥叉、絲杠及光杠等組成。該機構的工作原理是：電機通過磁傳動組件依次帶動主動齒輪、從動齒輪、絲杠轉動，進而帶動提拉撥叉使實驗樣品上下運動，從而實現實驗樣品在加熱爐中的插入和拔出功能[8]。

1. 電機組件；2. 磁傳動組件；3. 主動齒輪；4. 安裝板；5. 從動齒輪；6. 提拉撥叉；7. 絲杠。

樣品提拉傳動機構設計的創新點主要有以下兩個方面。

一是電機到齒輪傳動之間增加了磁傳動組件。該組件主要由主動外磁轉子、從動內磁轉子及磁體外殼組成。磁性材料選用具有高剩磁、高矯頑力的高磁能積材料釤鈷[9]。磁體外殼材料選用耐腐蝕性強、承壓能力強的1Cr18Ni9Ti材質。結構尺寸設計按照圓筒形磁力驅動器設計。磁傳動組件在提供足夠轉動力矩的同時，主要具有減振作用。主、從動磁轉子之間有一定間隙，當機構振動或電機振動時可有效減小振動，防止振動傳遞到絲杠位置，保證提拉撥叉垂直提拉樣品，避免振動造成傳動機構運動卡澀。

二是提拉撥叉結構的設計。提拉撥叉有提拉實驗樣品，觸動上、下微動開關，以及連接光杠、上下運動導向的作用。因此提拉撥叉設計為三齒結構，將上述作用合為一體，以有效保證提拉行程的精準實現。

2.2 實驗樣品夾具

實驗樣品夾具用于裝置內實驗樣品的存放。其作用：一是夾持固定和減振，即在綜合科學材料實驗裝置隨飛行器發射階段保證實驗樣品的完整；二是在軌實驗階段，人工操作時可滿足人機工效要求，即航天員可順利插、拔樣品。

實驗樣品夾具（如圖3所示）主要由筒體、彈簧片和鉚釘組成。彈簧片固定于筒體之中，具有一定的彈力，利用其彈性抱緊實驗樣品，防止力學沖擊振壞樣品封裝管。樣品夾具夾持力主要由彈簧片材料以及厚度決定。成形彈簧片如圖4所示。

1. 鉚釘；2. 彈簧片（鈹青銅片）；3. 實驗樣品；4. 筒體

圖4 成形彈簧片示意

彈簧片厚度為

=4.712p/(EF)， (1)

式中：為成形半徑；p為許用應力；為彈簧片材料的彈性模量；F為彈簧垂直方向變形。

實驗樣品抱緊設計由6個成形彈簧片彈性變形來保證。則單個實驗樣品的提拉摩擦力為

=6=62p/(12)， (2)

式中：為實驗樣品外罩與彈簧片靜摩擦因數。為工作載荷；為彈簧片寬度；

首先選定彈簧片材料，依據式(1)計算出彈簧片厚度，進而核算出工作載荷，然后即可得出拔、插實驗樣品所需的拉力和壓力。

2.3 人機工效

綜合材料科學實驗裝置是首次在軌人工參與操作，因此，合理安全的人機工效設計非常重要。

由于航天員需要打開裝置進行換樣操作，所以裝置材料必須安全無毒、無揮發。該實驗裝置結構主要使用2A12硬鋁、鈦合金制造；密封材料采用氟橡膠；與不銹鋼絲杠配合的螺母以及齒輪軸套選擇用空間自潤滑復合材料，該材料相比于液體潤滑材料不但無毒、無揮發，而且磨損低。試驗樣品密封在安瓿內，不存在泄漏風險，不會給航天員安全帶來隱患。

實驗裝置的結構是完整封閉的，操作過程中要求無多余物或活動零件脫離裝置，以確保航天器和航天員的安全。具體設計包括：航天員對設備操作過程中，需要擰松的緊固件均設計為防松脫螺釘結構，保證螺釘不會脫出；需要操作的閥門、開關裝置開啟后仍然連接在材料實驗裝置上，保證不會脫出裝置。同時，對于航天員操作的緊固件、閥門、開關等，應確保其開啟力和復位力在航天員可靠操作范圍內。

3 實驗裝置工作性能測試

為了驗證上述設計理論的可行性和實用性，研制了如圖5所示的空間綜合材料科學實驗裝置樣機，并對其工作性能進行測試。

圖5 綜合材料科學實驗裝置樣機

本文所選用的樣品夾具中彈簧片材料為鈹青銅，其成形半徑為1.5mm，厚度為0.12mm。“青銅+鋼”摩擦副的摩擦因數為0.16。經計算，實驗樣品摩擦阻力為12.28N，滿足航天員順利拔、插實驗樣品的要求。

對綜合材料科學實驗裝置樣機在力學振動實驗后進行人機工效實驗。實驗結果顯示內部機構運行正常，實驗樣品完整、無損傷；由空間自潤滑復合材料制造的與不銹鋼絲杠配合的螺母以及齒輪軸套可以保證絲杠及齒輪的平穩運行；裝置蓋體上的密封螺釘擰松后不脫出，螺釘銳邊經過了倒圓角處理，可保證操作人員安全；閥門在開啟及關閉操作過程中轉向平穩，操作空間大，閥門開、關標識清楚；裝置開蓋過程中，蓋體把手光滑無尖角。蓋體設計有轉向定位裝置，最大角度轉至90°，不會對周圍設備造成損傷。爐蓋轉軸設計了自阻尼系統，轉動力約為25N，可以使蓋體停留在航天員設定的任意位置。

4 結束語

基于文中提出的設計理論和方法，設計了綜合材料科學實驗裝置，并通過實驗驗證了其可行性和實用性。該裝置首次實現了多批次樣品的管理和更換功能，以及在軌人工參與操作功能，并已在“天宮二號”實驗艙順利完成第2批次6個工位樣品的科學實驗。實驗結果表明其可靠性高，重復性好，可保證實驗樣品完整、無損傷，人工參與操作安全、有效。這為我國制備高性能空間材料以及載人空間站工程后續深入、長期開展空間材料科學實驗任務提供了良好技術基礎和有力保障。

（References）

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SU H P, ZHAO Z H, SUN Y J, et al. Study on space science and technology of manned space station[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(9): 985-991

[3] 胡文瑞. 空間的物理學[J]. 物理, 2008, 37(9): 637-642

HU W R. Physics in space[J]. Physics, 2008, 37(9): 637-642

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[7] 劉巖, 王錦昌, 馮楚德, 等. 我國的空間晶體生長裝置[C]∥中國空間科學學會空間材料專業委員會2002年學術交流會論文集. 北海, 2002: 6-16

[8] 徐灝. 機械設計手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 1992: 8-39

[9] 趙韓, 田杰. 磁力機械學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009: 33-39

（編輯：許京媛）

Design and implementation of experimental device of comprehensive materials science for space research

CUI Xiaojie, LU Dengbai, ZHANG Zhengjun

(Lanzhou Institute of Space Technology Physics, Lanzhou 730000, China)

For the purpose of space science experiment of various materials, a device is designed to serve for the comprehensive materials science experiment, which can work in space for a long time. The design process of the sample lifting mechanism, the sample fixture structure and the ergonomics are presented in detail. Experimental results show the feasibility and the practicality of the design theory and method. The device works smoothly and reliably in the experiment, and the experimental samples are found to be intact and not damaged. The device realizes the management and replacement functions of the multi-batch samples, and the manual operation function on orbit for the first time.

comprehensive materials science experiment; design of experimental device; sample lifting mechanism; sample fixture structure; ergonomics; microgravity; space materials science

V524.7

A

1673-1379(2017)02-0162-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.009

2016-07-07；

2016-11-25

崔曉杰（1987—），男，碩士學位，主要從事空間機構相關技術研究。E-mail: cuixiaojie2000@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544