一种航天器舱外在轨操作地面试验方法与流程

本发明涉及一种航天器舱外在轨操作地面试验方法。

背景技术：

长期在轨运营的航天器，可靠性要求高，其研制难度前所未有。

“和平号”空间站通过维修将寿命延长到15年，延寿期间航天员75％的时间在开展维修工作。国际空间站通过维修将延寿到2024年，航天员日常40％的时间在开展维修工作，截至2016年9月，共开展了384次出舱维修维护。哈勃望远镜在二十余年在轨运行中，接受了陀螺仪、电池、精确制导传感器的更换等多次维护服务。在轨维护是保证长期在轨运营飞行器正常在轨运营必不可少的关键措施。

密封舱舱外真空、冷黑、照明、温度、设备状态及舱外航天服特性对舱外产品的在轨维护可操作性影响大，故舱外产品在轨可操作性设计、验证和实施的难度很大。而且，长期在轨运营航天器舱外众多具有控制、推进、通信、能源、空间技术等关键功能的产品需要出舱维修维护。故对于我国长期在轨运营载人航天器，如何开展试验验证舱外在轨操作可行性，是一项亟待解决的难题。

目前国内外常用的舱外操作地面试验方法有以下两种：(1)吊装试验方法，参试人员着舱外服，并通过吊具将舱外服悬吊起来，并调整合适操作位置，开展操作验证试验；(2)中性浮力水槽试验方法，参试人员着水下舱外服，在中性浮力水槽中开展舱外操作验证试验。(3)气浮台试验方法，参试产品置于气浮台上，开展在轨操作验证试验。(4)虚拟现实仿真方法，通过构建虚拟场景，开展沉浸式在轨操作仿真试验。

目前现有的试验方法的缺点：

(1)吊装试验方法和中性浮力水槽试验方法均对参试人员素质提出较高要求，且试验前需要长时间准备，试验周期长。

(2)中性浮力水槽试验方法，参试产品位于水下，无法加电工作，真实模拟产品工作状态；

(3)气浮台试验方法，只能开展无人在轨操作试验验证，无法开展人参与舱外在轨操作试验验证。

(4)虚拟现实仿真方法，无法模拟产品工作状态，以及航天员着航天服操作特性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有的不足，提供一种航天器舱外在轨操作地面试验方法，通过在地面试验系统上开展在轨操作试验，解决载人航天器长期在轨飞行期间，舱外操作可行性的验证问题。

本发明所采取的技术方案是：一种航天器舱外在轨操作地面试验方法，包括步骤如下：

步骤一、将试验件固定安装在真空罐内的伺服机构上；

步骤二、将真空罐大门上的左手安装口、右手安装口上的盖板拆除；

步骤三、在左手安装口、右手安装口处分别安装左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套；

步骤四、检查真空罐大门密封面无异物，关闭真空罐大门并锁紧；

步骤五、通过伺服平台控制台调整伺服机构，使得试验件到达左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套操作范围内；

步骤六、通过泵组控制台控制泵组，调整真空罐内气压至设定的气压值，所述的设定的气压值为大气压与舱外航天服工作压力的差值；

步骤七、将双手伸入左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套，使用左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套对试验件进行操作，利用观察窗查看操作完成情况；记录操作时间，并利用真空罐内的摄像机记录操作图像；如果操作失败，记录操作失败原因；

步骤八、打开真空罐上的容器复压阀门，将真空罐内的气压恢复至外部环境的气压；打开真空罐大门，拆除试验件，将左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套拆除，在左手安装口、右手安装口恢复安装盖板；

步骤九、根据步骤六中获得的操作时间、操作图像、操作失败原因，确定舱外操作是否可行。

所述步骤三中左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套的具体安装方法如下：

a、将手套密封圈分别套在左手安装法兰、右手安装法兰上；

b、将左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套分别套在左手安装法兰、右手安装法兰上；

c、将卡箍分别套在手套密封圈位置处，将手套密封圈压紧；

d、将法兰密封圈分别安装至左手安装口、右手安装口上的密封沟槽中；

e、将左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套分别穿过左手安装口、右手安装口及操作平台，使得左手安装法兰、右手安装法兰分别卡在左手安装口、右手安装口边缘的环形安装凸台上；

f、将法兰密封圈安装至法兰盖板上的密封沟槽中，使用法兰盖板分别压紧左手安装法兰、右手安装法兰。

所述真空罐大门中部设置有操作平台，操作平台上设置有观察窗、左手安装口、右手安装口，左手安装口、右手安装口关于操作平台轴线对称且位于观察窗下方。

所述伺服机构位于真空罐内部，安装在支架导轨上，支架导轨位于真空罐内部，支架导轨固定在真空罐底部，伺服机构安装在支架导轨上。

所述伺服机构上安装试验件，在伺服机构控制台的控制下具有四个运动自由度，四个运动自由度是指真空罐轴向、铅垂向、水平面内垂直于真空罐轴向、滚转。

所述左手安装口、右手安装口中心的连线与过观察窗中心的对称轴垂直，左手安装口、右手安装口的中心间距为400mm；观察窗中心与左手安装口、右手安装口中心连线的垂直距离为280mm。

所述左手安装口、右手安装口的中心连线距离地面高度的取值范围为1400mm～1600mm。

所述手套密封圈或法兰密封圈的材料为26-41氟橡胶。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所述试验方法采用调整伺服机构位移和转动，改变试验件位置和姿态的方法，达到改变操作人员与试验件相对位置的目的，避免了操作人员在地面条件下，调整位置和姿态难度较大的问题；

(2)本发明所述试验方法通过调整真空室内气压，与真空室外常压形成压差，模拟着舱外服手套操作真实的压差环境，使试验操作接近真实情况，且操作人员处于常压条件下，避免了操作人员着加压服带来的身体上的不适，降低了对操作人员素质的要求；

(3)本发明所述试验方法试验前状态设置便捷，能够快速开展试验，节约大量试验准备时间；与水槽试验相比，本发明适应性强，试验成本低，对试验场地要求低。

附图说明

图1是本发明所用地面试验系统的组成结构正视图；

图2是本发明所用地面试验系统的组成剖视图；

图3是本发明所用地面试验系统的组成俯视图；

图4为舱外航天服手套安装示意图；

图5为舱外航天服手套与安装法兰连接装置示意图；

图6为本发明航天器舱外在轨操作地面试验方法的流程图；

图7为本发明伺服机构结构示意图；

图8为本发明底座结构示意图；

图9为本发明立柱结构示意图，其中，图9(a)是立柱正视图，图9(b)是立柱立体图；

图10为本发明滑板结构示意图，其中，图10(a)是滑板俯视图，图10(b)是滑板立体图；

图11为本发明转台结构示意图，其中，图11(a)是转台正视图，图11(b)是转台侧视图，图11(c)是转台俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、图2、图3所示，航天器舱外在轨操作地面试验系统，包括伺服机构7、伺服机构控制台8、真空罐6、观察窗3、舱外航天服手套13、14和支架导轨22；真空罐6上设置有观察窗3和舱外航天服手套13、14，舱外航天服手套13、14伸入到所述真空罐6内部，且与真空罐6之间密封连接；支架导轨22和伺服机构7均位于真空罐6内部，支架导轨22固定在真空罐6底部，伺服机构7安装在支架导轨22上；试验件9安装在伺服机构7上，在伺服机构控制台8的控制下具有四个运动自由度。四个运动自由度是指真空罐6轴向、铅垂向、水平面内垂直于真空罐6轴向、滚转。如图7所示，y方向即是真空罐6轴向，z方向即是铅垂向，x方向即是水平面内垂直于真空罐6轴向的方向；x方向、y方向和z方向两两垂直，且满足右手定律。泵组控制台11控制泵组12，泵组12与真空罐6相连，用于调节真空罐6内压力。真空罐6内部与外部的压力差与舱外航天服手套13、14的内外压差相同。航天器舱外在轨操作地面试验系统还包括摄像机10，安装在真空罐6内的顶部。

如图4、图5所示，操作平台2通过法兰安装在真空罐大门1中部，观察窗3安装在操作平台2上，操作平台2上开有左手安装口4、右手安装口5，左手安装口4、右手安装口5关于操作平台2轴线对称且位于观察窗3下方；左手舱外航天服手套13密封安装在左手安装口4，右手舱外航天服手套14密封安装在右手安装口5；真空罐大门1安装在容器支撑鞍座上，通过容器支撑鞍座调整真空罐大门1的高度。

手套密封圈18分别套在左手安装法兰15、右手安装法兰16的套筒结构上；左手舱外航天服手套13套在左手安装法兰15的套筒结构上，右手舱外航天服手套14套在右手安装法兰16的套筒结构上，卡箍17压紧手套密封圈18实现左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14边缘的密封；左手安装法兰15、右手安装法兰16分别穿过左手安装口4、右手安装口5，左手安装法兰15、右手安装法兰16的法兰盘卡在左手安装口4、右手安装口5边缘的环形安装凸台上，法兰盖板19分别与左手安装口4、右手安装口5边缘的环形安装凸台配合，压紧左手安装法兰15、右手安装法兰16的法兰盘。

左手安装法兰15的法兰盘与左手安装口4的环形安装凸台之间或右手安装法兰16的法兰盘与右手安装口5的环形安装凸台之间安装法兰密封圈20、21。左手安装法兰15或右手安装法兰16的法兰盘与法兰盖板19之间安装法兰密封圈20、21。观察窗3中间为透明的玻璃材料。手套密封圈18、法兰密封圈20、21的材料为26-41氟橡胶。

左手安装口4、右手安装口5中心的连线与过观察窗3中心的对称轴垂直，左手安装口4、右手安装口5的中心间距为400mm；观察窗3中心与左手安装口4、右手安装口5中心连线的垂直距离为280mm。

左手安装口4、右手安装口5的中心连线距离地面高度的取值范围为1400mm～1600mm。

如图6所示，本发明的一种航天器舱外在轨操作地面试验方法，包括步骤如下：

步骤一、将试验件9固定安装在真空罐6内的伺服机构7上；

步骤二、将真空罐大门1上的左手安装口4、右手安装口5上的盖板拆除；

步骤三、将手套密封圈18分别套在左手安装法兰15、右手安装法兰16上；将左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14分别套在左手安装法兰15、右手安装法兰16上；将卡箍17分别套在手套密封圈18位置处，拧紧卡箍17的锁紧螺钉，将手套密封圈18压紧，从而压紧左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14边缘；将法兰密封圈20分别安装至左手安装口4、右手安装口5上的密封沟槽中；将左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14分别穿过左手安装口4、右手安装口5及操作平台2，使得左手安装法兰15、右手安装法兰16分别卡在左手安装口4、右手安装口5边缘的环形安装凸台上；将法兰密封圈21安装至法兰盖板19上的密封沟槽中；使用法兰盖板19分别压紧左手安装法兰15、右手安装法兰16，对齐螺纹孔后使用螺钉拧紧。

安装左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14过程中，通过多重密封手段，减小真空罐6漏气量。

步骤四、检查真空罐大门1密封面无异物，关闭真空罐大门1并锁紧；

密封面若存在异物，会影响真空罐6密封性，因此要进行检查并清理。

步骤五、通过伺服平台控制台8调整伺服机构7，使得试验件9到达舱外航天服手套13、14操作范围内；

通过调整试验件9与左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14相对位置，可以对舱外操作相对进行精确模拟；

步骤六、通过泵组控制台11控制泵组12，调整真空罐6内气压至设定的气压值，所述的设定的气压值为大气压与舱外服工作压力的差值；在本发明中，设定的气压值为60kpa±2kpa；

设定气压值为大气压与舱外服工作压力的差值，可以使试验中左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14的操作特性与真实的舱外在轨操作一致。

步骤七、将双手伸入左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14内，使用左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14对试验件9进行操作，例如维修、在轨装配、检测，完成航天员在太空中着舱外航天服进行舱外操作的模拟，利用观察窗3查看左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14的操作完成情况；记录操作时间，并利用真空罐6内的摄像机10记录操作图像；如果操作失败，记录操作失败原因；

步骤八、打开真空罐6上的容器复压阀门，将真空罐6内的气压恢复至外部环境的气压；打开真空罐大门1，拆除试验件9，将左手舱外航天服手套13、右手舱外航天服手套14拆除，在左手安装口4、右手安装口5恢复安装盖板；

步骤九、根据步骤六中获得的操作时间、操作图像、操作失败原因，确定舱外操作是否可行。

伺服机构7具体形式如下：如图7所示，伺服机构7包括底座71、立柱72、滑板73和转台74；底座71固定在支架导轨22上，立柱72垂直安装在底座71上，且沿真空罐6轴向移动；滑板73垂直安装在立柱72上且滑板73沿立柱72移动；转台74与滑板73连接，转台74沿滑板73移动，试验件9固定在转台74的转盘上。

如图8所示，底座71包括底座框架111、底座导轨112、丝杠113和交流伺服电机114；底座框架111固定在支架导轨22上，两个底座导轨112沿真空罐6的轴向，平行安装在底座框架111上，丝杠113和交流伺服电机114安装在底座框架111内部，丝杠113采用螺旋升降机的结构型式，交流伺服电机114驱动丝杠113转动，进而带动立柱72沿底座导轨112移动。

如图9(a)、图9(b)所示，立柱72包括立柱框架121、立柱导轨122、滑块123、第二交流伺服电机124、第二丝杠125和螺母座126；两个相互平行的立柱导轨122安装在立柱框架121上，且立柱导轨122的安装方向为铅垂向，立柱框架121与底座导轨112之间采用滑块123连接，通过滑块123支撑和限位；螺母座126与底座71上的丝杠113相配合，用于带动立柱72沿底座导轨112移动；第二交流伺服电机124和第二丝杠125安装在立柱框架121内部，第二交流伺服电机124驱动第二丝杠125转动，进而带动滑板73沿立柱导轨122移动。

如图10(a)、图10(b)所示，滑板73包括滑板框架131、滑板导轨132、第二滑块133、第三交流伺服电机134、第三丝杠135和第二螺母座136；滑板框架131通过第二滑块133安装在立柱导轨122上，滑板框架131的安装方向与立柱导轨122垂直，并且滑板框架131的安装方向还垂直于真空罐6轴向；在滑板框架131上安装有两个相互平行的滑板导轨132，滑板导轨132与立柱导轨122垂直，且两个滑板导轨132所在的平面为铅垂面；第二螺母座136与立柱72上的第二丝杠125相配合，用于带动滑板73沿立柱导轨122移动；第三交流伺服电机134和第三丝杠135安装在滑板框架131内部，第三交流伺服电机134驱动第三丝杠135，进而带动转台74沿滑板导轨132移动。

如图11(a)、图11(b)、图11(c)所示，转台74包括转台框架141、转盘142、第三滑块143、第四交流伺服电机144和第三螺母座145；转台框架141通过第三滑块143与滑板导轨132连接，转台框架141内部安装有第四交流伺服电机144，驱动转盘142旋转，转盘142上设有十字凹槽，凹槽横截面为倒“t”形，用于固定试验件9；第三螺母座145与第三丝杠135配合，进而带动转台框架141沿滑板导轨132移动。

航天器上行物资成本高，在轨操作难度大，在轨操作任务失败将带来巨大损失。本发明所述试验方法，能够在地面准确模拟航天员着舱外航天服操作特性，验证航天器舱外产品在轨操作可行性，为航天器舱外产品在轨可操作设计提供技术支撑，降低了舱外产品在轨不可操作的风险。同时，本实验方法，准备时间短，试验成本低，能够提升工程研制效率和成本控制水平。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

本发明中未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。