大型載人航天器艙外試驗(yàn)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(jì)部,北京 100094)(2 上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

開(kāi)展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)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(kāi)展的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)可分屬三大類(lèi),即密封艙內(nèi)試驗(yàn)、非密封艙內(nèi)試驗(yàn)和艙外試驗(yàn)。艙外試驗(yàn)主要研究?jī)?nèi)容包括以下4個(gè)方面:①對(duì)地進(jìn)行全球觀測(cè)和對(duì)“天(太陽(yáng)系、銀河和宇宙)”進(jìn)行天文探測(cè);②探測(cè)空間環(huán)境(超高真空、微重力、來(lái)自太陽(yáng)/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(chǎng)、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(yàn);④空間生物學(xué)問(wèn)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(yàn)平臺(tái),為艙外載荷提供標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械安裝、供電、信息、熱控等保障資源,特別在運(yùn)輸飛船、航天員、貨物氣閘艙、機(jī)械臂配合下,可實(shí)現(xiàn)艙外載荷在軌安裝和回收,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)艙外載荷的在軌更迭和輪換,支持大型載人航天器運(yùn)營(yíng)期內(nèi)艙外試驗(yàn)支持資源的重復(fù)使用、持續(xù)滾動(dòng)開(kāi)展多種學(xué)科類(lèi)型的艙外試驗(yàn)。本文就大型載人航天器艙外試驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)、對(duì)艙外載荷保障資源、應(yīng)用流程和地面驗(yàn)證情況進(jìn)行闡述,對(duì)在軌應(yīng)用情況進(jìn)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(yàn)支持技術(shù)

1.1 艙外試驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)能否通過(guò)貨物氣閘艙自動(dòng)進(jìn)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(lèi)型。其中標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷尺寸相對(duì)較小,可安裝在運(yùn)輸飛船密封艙內(nèi)上行,并可通過(guò)貨物氣閘艙自動(dòng)進(jìn)出艙;大型艙外載荷尺寸相對(duì)較大,需安裝在運(yùn)輸飛船開(kāi)放式貨艙內(nèi)上行,無(wú)法進(jìn)入密封艙。依據(jù)兩類(lèi)艙外載荷的特點(diǎn),分別設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗(yàn)平臺(tái)和大型艙外載荷試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)艙外載荷試驗(yàn)進(jìn)行支持。

1)標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗(yàn)平臺(tái)

大型載人航天器在艙外對(duì)天面、對(duì)地面、迎風(fēng)面、背風(fēng)面均設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗(yàn)平臺(tái),滿(mǎn)足不同指向類(lèi)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷開(kāi)展試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)端和被動(dòng)端兩部分。載荷適配器主動(dòng)端安裝在艙外載荷上,載荷適配器被動(dòng)端安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上,通過(guò)載荷適配器主、被動(dòng)端在軌鎖緊或解鎖實(shí)現(xiàn)艙外載荷在試驗(yàn)平臺(tái)上的安裝或拆卸,同時(shí)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)艙外載荷供電、信息、熱控流體回路(可選)的接通或斷開(kāi)。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(wú)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(dòng)端、機(jī)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(duì)接通道通過(guò)性約束,長(zhǎng)、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(dòng)端、機(jī)械臂目標(biāo)適配器相對(duì)安裝位置,可分為對(duì)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(duì)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(yàn)平臺(tái)

大型載人航天器艙外可設(shè)置大型艙外載荷試驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展在軌試驗(yàn)。

大型艙外載荷試驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)端和被動(dòng)端,如圖4所示。停泊裝置主動(dòng)端安裝在艙外載荷上,被動(dòng)端安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上,通過(guò)停泊裝置主、被動(dòng)端在軌鎖緊或解鎖實(shí)現(xiàn)艙外載荷在試驗(yàn)平臺(tái)上的安裝或拆卸,同時(shí)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)艙外載荷供電、信息、熱控流體回路的接通或斷開(kāi)。

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(dòng)端、機(jī)械臂目標(biāo)適配器組成。大型艙外載荷尺寸受運(yùn)輸飛船開(kāi)放式貨艙包絡(luò)約束,長(zhǎng)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(dòng)端、機(jī)械臂目標(biāo)適配器對(duì)面安裝,如圖5所示。

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

1.2 對(duì)艙外載荷支持設(shè)計(jì)

1)供電支持

艙外試驗(yàn)平臺(tái)為每個(gè)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(yàn)平臺(tái)為每個(gè)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?jǐn)?shù)字量遙測(cè)和部分試驗(yàn)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(cè)和試驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)載荷適配器I型上的標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷采用被動(dòng)式散熱方式,通過(guò)在艙外載荷上開(kāi)辟散熱面解決散熱問(wèn)題。

4)進(jìn)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(jī)構(gòu)等設(shè)備,在艙內(nèi)航天員、艙外機(jī)械臂操作配合下,自主完成標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷進(jìn)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(jī)構(gòu)允許轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)構(gòu)上可安裝載荷適配器被動(dòng)端,標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷通過(guò)載荷適配器實(shí)現(xiàn)與載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的連接或分離,如圖7所示。

圖7 載荷轉(zhuǎn)移機(jī)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(jī)械臂操作支持

(1)接口設(shè)備

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

(2)轉(zhuǎn)運(yùn)支持

機(jī)械臂一端抓取大型載人航天器艙壁上的機(jī)械臂基座,另一端抓取艙外載荷,通過(guò)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)艙外載荷在大型載人航天器艙外轉(zhuǎn)運(yùn)[8-9]。

(3)電氣支持

機(jī)械臂操作艙外載荷過(guò)程中為艙外載荷提供以下3種類(lèi)型電氣支持。

①供電支持:機(jī)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(dòng)端,然后由載荷適配器/停泊裝置主動(dòng)端分路后再轉(zhuǎn)移供電至艙外載荷本體。

②通信支持:機(jī)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(dòng)端的總線指令、注入數(shù)據(jù)及數(shù)字量遙測(cè)數(shù)據(jù)。

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

1.3 艙外試驗(yàn)平臺(tái)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(yùn)輸飛船密封艙內(nèi)運(yùn)抵大型載人航天器→航天員打開(kāi)貨物氣閘艙內(nèi)艙門(mén)→載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸入工作艙內(nèi)→航天員將標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷通過(guò)載荷適配器安裝在載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上→載荷轉(zhuǎn)移機(jī)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(mén)→貨物氣閘艙泄壓→貨物氣閘艙外艙門(mén)自動(dòng)打開(kāi)→載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)自動(dòng)伸出將標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷送出艙外→機(jī)械臂抓取標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷→標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷通過(guò)載荷適配器與載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)解鎖→機(jī)械臂將標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷從載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上取下→機(jī)械臂大范圍轉(zhuǎn)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷至標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷試驗(yàn)平臺(tái)→機(jī)械臂控制載荷適配器主被動(dòng)端捕獲→載荷適配器主被動(dòng)端鎖緊→機(jī)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(yùn)輸飛船貨艙運(yùn)抵大型載人航天器→機(jī)械臂抓取大型艙外載荷→大型艙外載荷與運(yùn)輸飛船上行連接機(jī)構(gòu)解鎖→機(jī)械臂將大型艙外載荷從運(yùn)輸飛船貨艙取出→機(jī)械臂大范圍轉(zhuǎn)運(yùn)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(dòng)端捕獲并鎖緊→機(jī)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(yàn)平臺(tái)對(duì)艙外載荷供電、信息通道接通→艙外載荷流體回路對(duì)艙外載荷流體閥門(mén)接通→艙外載荷開(kāi)展試驗(yàn)→艙外載荷流體回路對(duì)艙外載荷流體閥門(mén)關(guān)閉→試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)艙外載荷供電、信息通道斷開(kāi)。

艙外載荷在軌回收流程為安裝流程的逆過(guò)程。

2 地面驗(yàn)證

2.1 綜合測(cè)試

地面綜合測(cè)試階段,開(kāi)展以下艙外試驗(yàn)平臺(tái)支持資源驗(yàn)證工作。

(1)安裝互換性測(cè)試:利用多個(gè)載荷適配器/停泊裝置主動(dòng)端,與艙上載荷適配器/停泊裝置被動(dòng)端逐一對(duì)接、鎖緊。

(2)電氣接口測(cè)試:利用艙外載荷標(biāo)準(zhǔn)件,逐一對(duì)艙上載荷適配器/?？垦b置被動(dòng)端輸出的供電、信息接口進(jìn)行測(cè)試。

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

2.2 真空熱試驗(yàn)

真空熱試驗(yàn)期間,在載荷適配器II型被動(dòng)端、載荷適配器I型被動(dòng)端、停泊裝置被動(dòng)端上分別安裝艙外載荷熱試驗(yàn)件,對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)艙外載荷熱支持資源進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)與艙外載荷間熱接口匹配。

2.3 機(jī)械臂操作艙外載荷專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)

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

圖9 機(jī)械臂氣浮臺(tái)試驗(yàn)Fig.9 Mechanical arm air flotation platform test

2.4 載荷進(jìn)出艙專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)

開(kāi)展了貨物氣閘艙載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸入工作艙、操作員安裝載荷、機(jī)構(gòu)縮回、關(guān)閉艙門(mén)、載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)、外艙門(mén)開(kāi)啟、載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸出艙外等全流程驗(yàn)證,結(jié)果表明,貨物氣閘艙自動(dòng)進(jìn)出載荷時(shí)序設(shè)計(jì)合理,與進(jìn)出艙載荷接口匹配,能夠完成載荷進(jìn)出艙任務(wù)。

3 技術(shù)特點(diǎn)分析

1)智能化水平高

通過(guò)使用智能化的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、外艙門(mén)、機(jī)械臂和載荷適配器/停泊裝置,在無(wú)需航天員出艙的情況下,即可實(shí)現(xiàn)艙外載荷在密封艙內(nèi)外的自動(dòng)轉(zhuǎn)移、在艙外大范圍自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、在艙外試驗(yàn)平臺(tái)上自動(dòng)拆裝,有效避免了航天員出艙安裝載荷帶來(lái)的任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和航天服壽命折損問(wèn)題,節(jié)約航天員出艙活動(dòng)所需的在軌工作時(shí)間和運(yùn)營(yíng)成本,極大提高了在軌應(yīng)用效率。

2)試驗(yàn)支持能力強(qiáng)

得益于艙外載荷集成化、小型化設(shè)計(jì),結(jié)合采用集中式艙外試驗(yàn)平臺(tái)等技術(shù),單發(fā)大型載人航天器即可支持20～30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷在軌開(kāi)展試驗(yàn),支持標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷的數(shù)量大于國(guó)際上同類(lèi)型的大型載人航天器。同時(shí)大型載人航天器艙外試驗(yàn)支持資源均采用了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì),保障艙外試驗(yàn)項(xiàng)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(kāi)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(jìn)艙任務(wù),如圖10所示[10-11]。標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷在艙外試驗(yàn)平臺(tái)安裝到位后,平臺(tái)對(duì)載荷供電、信息、熱控流體回路接通,載荷正常開(kāi)展在軌測(cè)試和試驗(yàn)。大型載人航天器艙外試驗(yàn)支持技術(shù)完成了在軌驗(yàn)證,可支持大規(guī)模艙外試驗(yàn)持續(xù)開(kāi)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(yàn)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(jī)械臂將?？匡w行器的部分模塊通過(guò)貨物氣閘艙轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)艙,由航天員對(duì)進(jìn)艙模塊進(jìn)行維修維護(hù);在大型載人航天器艙外空間天線、望遠(yuǎn)鏡等復(fù)雜設(shè)施的在軌組裝建造過(guò)程中,可利用貨物氣閘艙將組裝模塊轉(zhuǎn)運(yùn)出艙,由機(jī)械臂轉(zhuǎn)運(yùn)安裝至艙外試驗(yàn)平臺(tái),在艙外試驗(yàn)平臺(tái)上逐步完成大型設(shè)施組裝制造。

5 結(jié)束語(yǔ)

大型載人航天器艙外試驗(yàn)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(duì)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(shí)現(xiàn)艙外載荷的自動(dòng)部署和回收,保障大型載人航天器運(yùn)營(yíng)期內(nèi)艙外試驗(yàn)項(xiàng)目持續(xù)輪換、重構(gòu)和擴(kuò)展。經(jīng)地面和在軌飛行驗(yàn)證表明,大型載人航天器艙外試驗(yàn)支持技術(shù)設(shè)計(jì)合理,有利保證了艙外試驗(yàn)任務(wù)的圓滿(mǎn)成功,具有工程實(shí)用價(jià)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(yàn)支持能夠?yàn)楹罄m(xù)的載人航天器型號(hào)提供有益的參考。