一種空間站餐后垃圾壓縮裝置的研制

秦俊杰，朱景濤，孫啟臣，袁 淼，王 燕，姚 旗，馬 永

（1.北京衛星制造廠，北京 100094；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

0 引言

隨著載人航天飛行任務的持續開展，空間站廢棄物的處理問題也日漸突出[1]。目前空間站的生活垃圾處理方式為手動將廢物收集于容器中，通過雙腳將其壓實，該種方式壓縮率低且不方便操作[2-3]。為了減少餐后垃圾的存儲體積，研制了適用于空間站的餐后垃圾壓縮裝置。

根據餐后垃圾的壓縮特性及隨機裝載特點開展了摸底壓縮試驗，為垃圾壓縮裝置輸出壓縮力值確定及壓縮率指標提供設計依據。由于垃圾壓縮裝置在軌頻繁使用，需對垃圾壓縮裝置進行長壽命設計，并通過壽命試驗驗證機構的工作壽命。本文主要論述垃圾壓縮裝置研制工作。

1 垃圾特性分析

1.1 垃圾類型

航天員在空間站駐留期間會產生餐后垃圾，餐后垃圾主要包括金屬罐、軟包裝袋、清潔紙巾和少量殘余食品等。其中金屬罐為主要餐后垃圾，且該材料具有較高的強度、剛度及表面硬度。餐后垃圾的狀態為隨機裝載。

1.2 垃圾壓縮試驗

為了確定壓縮裝置的輸出力載，需要對壓縮對象的壓縮特性進行摸底試驗。

在所有被壓縮垃圾中，金屬罐為主要且強度剛度最大的垃圾，通過壓縮試驗確定壓縮率與壓縮力的關系作為裝置輸出力載設計的重要依據。

試驗采用CSS-1110壓力機，最大壓力為10t，將自制壓頭與壓力機連接，金屬罐裝載至垃圾收集袋中并放置于模擬壓縮腔中，通過聯機電腦可直接獲得壓縮力與壓縮位移的關系曲線，為了清晰反映壓縮力與壓縮率的關系，壓縮腔采用透明有機玻璃制作。試驗系統組成如圖1所示。

通過開展大樣本量的壓縮試驗，得到壓縮力與壓縮率關系如圖2所示。

試驗結果表明，壓縮力隨著壓縮率的增大而增大。壓縮進程前期，壓縮率變化明顯，壓縮力增長緩慢，壓縮進程后期，壓縮力隨著壓縮率的增加而大幅增大。

圖1 壓縮試驗工裝Fig.1 Tooling of compression test

圖2 壓縮率與壓縮力關系Fig.2 Relationship of compression ratio and compressive force

2 垃圾壓縮裝置設計

2.1 壓縮裝置技術參數

垃圾壓縮裝置的主要技術參數如下：壓縮裝置有效容積≮6L，垃圾體積壓縮率≮50%[4]，壓縮操作力≯50N，復位操作力≯25N，使用壽命≮10000次。

2.2 壓縮裝置總體結構設計

垃圾壓縮裝置總體結構設計如圖3所示。操作手柄模塊由加載手柄組件及復位手柄組件等組成，位于整個裝置外側面，為壓縮裝置提供動力源。傳動模塊由錐齒輪副及滾珠絲杠組件等組成，位于整個裝置內部，實現力與運動的傳遞。壓縮模塊由壓縮活塞組件、門組件及壓縮腔等組成，位于整個裝置的一端，實現餐后垃圾的收納及壓縮。操作手柄模塊內部含有棘輪裝置，可實現手柄的往復操作。壓縮模塊中壓縮活塞、壓縮腔及門組件形成密閉空間，可防止餐后垃圾壓縮過程中溢出。

圖3 垃圾壓縮裝置整體構型圖Fig.3 Configuration diagram of trash compactor device

2.3 壓縮裝置工作原理

垃圾壓縮裝置主要包括操作手柄模塊、傳動模塊和壓縮模塊三部分。

操作手柄模塊為加載操作及復位操作提供動力源，手柄加載操作時，操作手柄驅動棘輪回轉，將扭矩傳遞至傳動模塊；手柄回位操作時，棘輪位置被鎖定；復位操作時，將棘輪裝置解鎖，通過復位手柄組件將扭矩傳遞至傳動模塊。

傳動模塊實現力與運動的傳遞，錐齒輪副與棘輪固定連接，通過棘輪將扭矩傳遞至滾珠絲杠組件，滾珠絲杠的轉動轉化成滾珠螺母的直線移動[5]。

壓縮模塊實現餐后垃圾的收納與壓縮，壓縮活塞組件與滾珠螺母固定連接，滾珠螺母的直線移動使壓縮活塞對壓縮腔內的垃圾產生壓縮位移，同時滾珠絲杠的扭矩轉換成壓縮活塞對垃圾的壓縮力。壓縮裝置工作原理如圖4所示。

圖4 垃圾壓縮裝置工作原理Fig.4 Working principle diagram of trash compactor device

2.4 壓縮裝置工作模式

垃圾壓縮裝置為有人在軌使用產品，乘員入軌后解除活動部件束縛機構，使用垃圾壓縮裝置進行垃圾壓縮處理。

垃圾壓縮裝置使用頻率為一天一次，每日用餐完畢后，乘員使用垃圾壓縮裝置對當日收集完垃圾的收集袋進行壓縮，每次壓縮一個收集袋，壓縮前乘員手動將收集袋放置到壓縮裝置內，壓縮完畢后手動取出被壓縮的收集袋。垃圾處理完畢后對垃圾壓縮裝置進行清潔處理。

垃圾壓縮裝置在艙內的工作模式如表1所示。

垃圾壓縮裝置各階段狀態見圖5所示。

表1 垃圾壓縮裝置工作模式Tab.1 Work pattern of trash compactor device

3 試驗情況

基于上述分析，制作了垃圾壓縮裝置原理樣機，并進行了功能性能試驗，如圖6所示，試驗結果如表2所示。

圖5 垃圾壓縮裝置工作模式示意圖Fig.5 The work pattern schematic diagram of trash compactor device

圖6 垃圾壓縮裝置原理樣機試驗Fig.6 Test of trash compactor device prototype

表2 試驗結果匯總Tab.2 Test result

4 結論

本文研制了一種適用于空間站的餐后垃圾壓縮裝置。壓縮裝置具有大增力比、良好人機交互性，結構復雜、長壽命要求及輕量化要求高的特點。通過摸底試驗掌握金屬罐的壓縮特性，獲得壓縮力與壓縮率之間的關系。針對該種垃圾特性制定壓縮裝置的輸出力載指標，設計手動垃圾壓縮裝置方案，建立力學分析模型，并進一步設計原理樣機。試驗結果表明，基于金屬罐材料特性，所提出的垃圾壓縮裝置設計指標合理，其原理樣機能夠滿足功能需求。

[1]The design and fabrication of a prototype trash compacting unit，Technical report，April 1，1973.

[2]Gregory S.Pace，John Fisher."Development of the Plastic Melt Waste Compactor-Desian and Fabrication of the Half-Scale Prototype"，2005.

[3]Pace，Gregory S.，Lance Delzeit and John Fisher （2009），“Testing of a Plastic Melt Waste Compactor Designed for Human Space Exploration Missions，” SAE Paper No.2009-01-2363，39th International Conference on Environmental Systems，July 2009.

[4]Shuttle trash compactor to serve as extended duration flight treasure，Space News Roundup，March 16，1990.

[5]蒲明輝，孫青，等.物料壓縮實驗裝置的研制[J].實驗室科學，2011，14.