一种舱外维修工具试验方法与流程

本发明具体涉及一种舱外维修工具试验方法，适用于载人航天器舱外维修工具的地面试验，属于载人航天飞行器领域。

背景技术：

在轨维修是延长载人航天器寿命和保障可靠性安全性的必要手段，同时也是在轨活动中难度最高的任务之一。俄罗斯和平号空间站在轨运营期间执行了74次舱外维修维护任务，截至2016年国际空间站完成了384次出舱维修维护活动，我国正在研制天宫号空间站，设计在轨寿命10年以上，是我国首个长期在轨飞行的大型载人航天器。

舱外维修时航天员穿着舱外航天服，舱外航天服内外压差使航天服手套灵活度降低，航天员手部感知能力降低，操作力变大，并且失重状态下维修工具容易飞走，抓握难度增加，为确保舱外维修工具能够适应失重和手套内外压差带来的影响，提高舱外维修操作任务的成功率，舱外维修工具在研制过程中需要进行充分的地面试验验证。

舱外维修工具的验证方法主要包括常压手套试验法、手套箱试验法和中性浮力水槽试验法。常压手套试验法在一个大气压条件下，由试验人员穿戴航天服手套直接对工具进行取放、使用等操作，该方法无法模拟手套在内外压差作用下的膨胀状态，忽略了手套膨胀对操作的影响，因此试验误差较大；手套箱试验法则利用法兰将舱外航天服手套固定在一个小型透明箱体内，用抽气泵将手套箱内压力降低，模拟航天服手套内外压差，试验人员通过箱体上的航天服手套对放在箱内的维修工具进行试验，手套箱只能对小型工具进行抓握、旋转等简单操作试验，无法结合维修产品进行拆卸、安装试验，因此对舱外维修工具进行全面的试验和评价是一项亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是：提供一种舱外维修工具试验方法，通过在具有法兰接口的真空罐上加装含肘部的航天服手套，并将维修产品固定在真空罐内的四自由度伺服机构上，进行舱外维修工具试验，解决常压试验和手套箱试验无法同时结合维修产品和模拟航天服手套内外压差，进行舱外维修工具拆卸、安装操作试验的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种舱外维修工具试验方法，该试验方法基于载人航天器舱外维修地面模拟系统实现，步骤如下：

(1)舱外航天服手套安装到真空罐舱门的法兰接口上；

(2)将维修设备模拟件安装在伺服机构上，将维修设备模拟件上的维修接口柔性连接到伺服机构转台框架上；所述维修接口包括机械接口和电气接口；

(3)将待试验的舱外维修工具放入真空罐内，且邻近航天服手套，待试验的舱外维修工具柔性连接真空罐；

(4)通过控制台控制伺服机构工作，令维修设备模拟件向远离航天服手套的方向移动；

(5)关闭真空罐的舱门，进行压差模拟，使得航天服手套内外压差与在轨实际情况一致；

(6)根据试验工况要求，伺服机构调整所述维修设备模拟件与航天服手套的相对位置；

(7)当所述维修设备模拟件与航天服手套的相对位置与在轨时的实际位置相同时，通过航天服手套抓取待试验的舱外维修工具，对所述维修接口进行操作实验

一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，包括伺服机构、控制台、真空罐、观察窗、航天服手套和支架导轨；

真空罐上设置有观察窗和航天服手套，航天服手套伸入到所述真空罐内部，且与真空罐之间密封连接；支架导轨和伺服机构均位于真空罐内部，支架导轨固定在真空罐底部，伺服机构安装在支架导轨上；维修设备模拟件安装在伺服机构上，在控制台的控制下具有四个运动自由度。

所述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。

所述伺服机构包括底座、立柱、滑板和转台；

底座固定在支架导轨上，立柱垂直安装在底座上，且沿真空罐轴向移动；滑板垂直安装在立柱上且滑板沿立柱移动；转台与滑板连接，转台沿滑板移动，维修设备模拟件固定在转台的转盘上。

底座包括底座框架、底座导轨、丝杠和交流伺服电机；

底座框架固定在支架导轨上，两个底座导轨沿真空罐的轴向，平行安装在底座框架上，丝杠和交流伺服电机安装在底座框架内部，丝杠采用螺旋升降机的结构型式，交流伺服电机驱动丝杠转动，进而带动立柱沿底座导轨移动。

立柱包括立柱框架、立柱导轨、滑块、第二交流伺服电机、第二丝杠和螺母座；

两个相互平行的立柱导轨安装在立柱框架上，且立柱导轨的安装方向为铅垂向，立柱框架与底座导轨之间采用滑块连接，通过滑块支撑和限位；螺母座与底座上的丝杠相配合，用于带动立柱沿底座导轨移动；第二交流伺服电机和第二丝杠安装在立柱框架内部，第二交流伺服电机驱动第二丝杠转动，进而带动滑板沿立柱导轨移动。

滑板包括滑板框架、滑板导轨、第二滑块、第三交流伺服电机、第三丝杠和第二螺母座；

滑板框架通过第二滑块安装在立柱导轨上，滑板框架的安装方向与立柱导轨垂直，并且滑板框架的安装方向还垂直于真空罐轴向；在滑板框架上安装有两个相互平行的滑板导轨，滑板导轨与立柱导轨垂直，且两个滑板导轨所在的平面为铅垂面；

第二螺母座与立柱上的第二丝杠相配合，用于带动滑板沿立柱导轨移动；第三交流伺服电机和第三丝杠安装在滑板框架内部，第三交流伺服电机驱动第三丝杠，进而带动转台沿滑板导轨移动。

转台包括转台框架、转盘、第三滑块、第四交流伺服电机和第三螺母座；

转台框架通过第三滑块与滑板导轨连接，转台框架内部安装有第四交流伺服电机，驱动转盘旋转，转盘上设有十字凹槽，凹槽横截面为倒“t”形，用于固定维修设备模拟件；第三螺母座与第三丝杠配合，进而带动转台框架沿滑板导轨移动。

还包括摄像机，安装在真空罐内的顶部。

所述真空罐内部与外部的压力差与航天服手套的内外压差相同。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)满足了模拟航天服手套内外压差以及维修产品与航天员之间的相对位置的要求，提高舱外维修工具地面试验的有效性；

(2)将舱外维修工具、维修接口柔性连接，避免了地面试验中工具、接口滑落损坏试验设备；

(3)使用摄像机记录试验过程，参试人员评价前进行录像回放，提高了试验评价的客观性和准确性；

(4)本发明通过伺服机构带动维修试验设备移动，可在地面1g环境下模拟在轨维修时航天员与设备之间的相对位置关系，确保试验状态与在轨状态的一致性，提高维修试验结果有效性；

(5)试验过程中，通过控制台手控盒可以实时调整维修试验设备位置，模拟航天员在轨维修大型设备期间不同工作点的维修环境，无需试验人员频繁移动位置，提高了试验的连贯性和试验效率，为大量维修设备试验奠定了基础；

(6)可以结合空间模拟器和航天服手套，模拟舱外操作时手套内外压差，提高维修操作试验准确性，同时试验设备可以使用结构件、质模件等，无需生产水下试验件，降低了成本。

附图说明

图1为本发明舱外维修工具试验方法流程框图；

图2为本发明地面模拟系统组成示意图；

图3为本发明伺服机构结构示意图；

图4为本发明底座结构示意图；

图5为本发明立柱结构示意图，其中，图5(a)是立柱正视图，图5(b)是立柱立体图；

图6为本发明滑板结构示意图，其中，图6(a)是滑板俯视图，图6(b)是滑板立体图；

图7为本发明转台结构示意图，其中，图7(a)是转台正视图，图7(b)是转台侧视图，图7(c)是转台俯视图；

图8为本发明控制台结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的舱外维修工具试验方法的流程框图，具体实施步骤如下：

(一)舱外航天服手套安装到真空罐舱门的法兰接口上；打开真空罐舱门，并锁定舱门，防止操作过程中舱门转动，使用内六角扳手拆卸真空罐上两个用于安装舱外航天服手套的法兰盖，将舱外航天服手套穿过法兰，安装到法兰上，并加盖法兰盖，紧固法兰盖。安装过程中需要区分航天服手套左右手，将左手套安装到左侧法兰接口，将右手安装到右侧法兰接口。

(二)通过紧固螺钉将待维修产品安装到转接工装上，根据工装上安装孔位置，调整伺服机构十字凹槽内螺母的位置，利用螺钉将转接工装安装到伺服机构上，紧固工装，将维修设备模拟件安装在伺服机构上；将维修设备模拟件上的维修接口柔性连接到伺服机构转台框架上，防止试验过程中维修接口掉落，损伤试验设备，维修接口包括机械接口和电气接口；

(三)将待试验的舱外维修工具放入真空罐内，且邻近航天服手套，待试验的舱外维修工具柔性连接真空罐，连接位置不影响维修操作，舱外维修工具位置与手套齐平，防止操作过程中工具掉落损坏试验设备；

(四)将伺服机构控制台电缆安装到位，清空伺服机构附近人员，防止伺服机构运动过程中威胁试验人员安全，启动伺服机构电源，通过控制台控制伺服机构工作，令维修设备模拟件向远离航天服手套的方向移动；

(五)打开真空罐照明灯和摄像机，确保照明灯和摄像机工作正常，关闭真空罐的舱门；打开真空罐抽气泵组的供电、供气、供水阀门，抽气泵组包括螺杆泵、罗茨泵；打开管路放空阀，放空管路后关闭；通过控制柜设置压力目标值，打开抽气泵组角阀，启动螺杆泵，当真空罐内部的压力接近目标压力时，开启罗茨泵；真空罐内部的压力降低至压力目标值，并自动保持；

(六)试验人员将云梯放置到真空罐前的维修操作试验工位，根据试验工况对相对位置的要求，利用伺服机构控制台，将伺服机构调整到设定的位置，使设备与参试人员相对位置满足要求；

(七)当所述维修设备模拟件与航天服手套的相对位置与在轨时的实际位置相同时，试验人员佩戴防汗手套，双手伸入航天服手套，通过真空罐观察窗观察罐内情况，使用所述舱外维修工具对维修接口进行对准、拆卸、安装、紧固操作，完成维修操作试验，并记录试验过程。

本发明基于载人航天器舱外维修地面模拟系统实现，现有技术中的载人航天器舱外维修地面模拟系统不能尽如人意，使用不便(如背景技术中所述，地面实物验证法和中性浮力水槽试验法)。

如图2所示，本发明提出了一种崭新的载人航天器舱外维修地面模拟系统，包括伺服机构1、控制台2、真空罐3、观察窗4、航天服手套5和支架导轨6，上述六个部分组成一个模拟系统。

通过模拟系统，将维修设备模拟件7安装在伺服机构1上，并放入真空罐内，降低真空罐3内部压力，使真空罐3内部与外部的压力差与航天服手套5的内外压差相同，并保持真空罐3内部压力稳定，通过该方法可以模拟航天员在太空执行舱外维修任务时航天服手套对维修操作的影响，从而提高地面试验的准确性；同时通过控制台2驱动伺服机构1，带动维修设备模拟件7移动，模拟试验人员与维修设备模拟件任意相对位置，通过该方法可以验证舱外航天员与维修设备之间的相对位置是否支持维修操作，从而优化设备布局。

真空罐3上设置有观察窗4和航天服手套5，航天服手套5伸入到所述真空罐3内部，且与真空罐3之间密封连接；地面试验时，试验人员将双手伸入航天服手套5内，通过航天服手套5操作维修设备模拟件7，同时通过观察窗4对维修操作过程进行观察；支架导轨6和伺服机构1均位于真空罐3内部，支架导轨6固定在真空罐3底部，伺服机构1安装在支架导轨6上；维修设备模拟件7安装在伺服机构1上，在控制台2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3轴向、铅垂向、水平面内垂直于真空罐3轴向、滚转。如图3所示，y方向即是真空罐3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3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。

如图3所示，所述伺服机构1包括底座11、立柱12、滑板13和转台14；底座11固定在支架导轨6上，立柱12垂直安装在底座11上，且沿真空罐3轴向移动；滑板13垂直安装在立柱12上且滑板13沿立柱12移动；转台14与滑板13连接，转台14沿滑板13移动，维修设备模拟件7固定在转台14的转盘上，转盘可以沿自身中心轴转动，从而带动维修设备模拟件7滚转。

如图4所示，底座11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6上，底座框架111采用内凹形结构，凹陷空间用于安装丝杠113和交流伺服电机114，两个底座导轨112沿真空罐3的轴向，平行安装在底座框架111上，用于支撑和限位立柱12沿导轨方向移动，丝杠113和交流伺服电机114安装在底座框架111内部，且垂直高度均低于底座导轨112，避免立柱运动过程中与丝杠113和交流伺服电机114发生碰撞和卡滞，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12沿底座导轨112移动，交流伺服电机114带抱闸功能，移动距离连续可调，且可保持在任意位置。

如图5(a)、5(b)所示，立柱12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；

立柱框架121采用直角三角形加强结构，确保立柱结构刚度能够承载滑板13、转台14和维修设备模拟件7的重量，立柱框架121镂空降低重量，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，用于限位滑板13沿铅垂向移动；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11上的丝杠113相配合，底座11上的交流伺服电机114转动，带动丝杠113转动，丝杠113上的螺纹驱动螺母座126移动，从而带动立柱12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有抱闸功能，第二交流伺服电机124驱动第二丝杠125转动，进而带动滑板13沿立柱导轨122移动。

如图6(a)、6(b)所示，滑板13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3轴向，滑板框架131可沿立柱导轨122移动；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，滑板导轨132用于限位转台14；

第二螺母座136与立柱12上的第二丝杠125相配合，立柱12上的交流伺服电机124转动，带动丝杠125转动，丝杠125上的螺纹驱动螺母座136移动，从而带动滑板13沿立柱导轨122移动，交流伺服电机124抱闸，则螺母座136停止移动，从而滑板13停止移动，并保持在停止的位置；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有抱闸功能，第三交流伺服电机134驱动第三丝杠135，进而带动转台14沿滑板导轨132移动。

如图7(a)、7(b)、7(c)所示，转台14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，用于固定维修设备模拟件7，转盘142转动，则带动维修设备模拟件7滚转；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。

如图2所示，本发明还包括摄像机9，安装在真空罐3内的顶部，可以拍摄地面试验过程，用于试验结果分析。

所述真空罐3内部与外部的压力差与航天服手套5的内外压差相同，真空罐3内部压力可以根据不同航天服的设计指标进行调整。

如图2和图8所示，控制台2包括手控盒21、键盘22、鼠标23、显示屏24、急停按钮25和电控箱26，电控箱26内包括电源、测控计算机以及功率放大驱动部分；控制台2放置在真空罐3附近，便于试验过程中临时调整伺服机构1，试验人员可以使用手控盒21、键盘22、鼠标23控制伺服机构1。

工作原理：

舱外维修工具试验，需要将舱外维修工具、维修设备模拟件和伺服机构放入真空罐内，维修设备模拟件上安装了维修工具操作的接口。试验方法的第一步是将左右手舱外航天服手套安装到真空罐舱门的法兰接口上；第二步是将维修设备模拟件安装到伺服机构上，将维修设备模拟件上的维修接口柔性连接到伺服机构转台框架上；第三步是将待试验的舱外维修工具柔性连接到真空罐顶部；第四步是启动伺服机构，并控制伺服机构工作，令维修设备模拟件向远离航天服手套的方向移动，防止真空罐抽气时航天服手套膨胀与伺服机构碰撞损坏；第五步是将真空罐抽气至指定压力，并保持；第六步是将云梯放置到维修操作试验工位，将伺服机构调整到设定的位置，使设备与参试人员相对位置满足要求；第七步是试验人员伸入航天服手套，完成试验。

本试验方法基于载人航天器舱外维修地面模拟系统，利用该模拟系统进行舱外维修地面试验时，需要将本系统伺服机构1和维修设备模拟件7共同放入真空罐3中。首先将伺服机构1固定在真空罐3内部的支架导轨6上，固定时需根据试验件尺寸适当调整伺服机构1的位置，确保试验过程中伺服机构1的部件运动不会碰撞真空罐3；安装控制台电缆8，启动控制台2，利用手控盒21控制伺服机构1运动，确保伺服机构1工作正常；将维修设备模拟件7和工装组合体安装到转盘142上；安装航天服手套5，启动摄像机9，确保摄像机9工作正常，关闭真空罐3的大门，降低真空罐3内部压力到指定压力；试验人员进入工位，双手伸入航天服手套5，试验辅助人员调整伺服机构1，使设备位置和姿态与在轨状态一致，试验操作人员通过航天服手套5和观察窗4对维修设备进行操作试验；辅助人员记录试验过程和试验结果。

实施例：

按照本试验方法的步骤，如图1所示，对4种载人航天器舱外维修工具进行试验，利用真空罐控制系统，打开真空罐舱门，使用m6内六角扳手将舱外航天服手套安装到真空罐上，通过四个m10螺钉将维修设备模拟件安装到伺服机构上，利用尼龙绳将维修设备模拟件上的维修接口柔性连接到伺服机构转台框架上，防止试验过程中维修接口掉落，损伤试验设备，维修接口包括机械转接头、m5松不脱紧固装置、j599电连接器、j14t电连接器和j36a电连接器；用尼龙绳将舱外维修工具柔性连接真空罐顶部，舱外维修工具位置与手套齐平；安装伺服机构控制台电缆，启动伺服机构电源，通过控制台控制伺服机构向远离航天服手套的方向移动400mm；打开真空罐照明灯和摄像机，照明灯和摄像机工作正常，闭真空罐的舱门，打开真空罐抽气泵组，启动抽气，当真空罐内部的压力距离目标压力小于3kpa时，开启罗茨泵，真空罐内部的压力降低至压力目标值，并自动保持；试验人员将四层云梯放置到操作试验工位，利用伺服机构控制台，将伺服机构调整到设定的位置；试验人员完成对准、拆卸、安装、紧固操作试验。

本试验方法使用的载人航天器舱外维修地面模拟系统如图2所示，真空罐3采用圆柱形卧式结构，主体材料为0cr18ni9ti，内径为2000mm，直段长2000mm；真空罐3设计有两个大门，一侧大门上留有试验人员维修操作用的操作大法兰，大法兰尺寸为直径1000mm，大法兰安装两个航天服手套5和一个观察窗4，航天服手套5的操作孔的直径为200mm，间距400mm，观察窗4中心与2个航天服手套操作孔中心连线的垂直距离为280mm，试验人员通过观察窗4可以看到整个操作界面，真空罐3内安装2根导轨，间距700mm，导轨承重1.2t。

伺服机构1，铅垂向行程300mm，真空罐轴向行程1200mm，水平面内垂直于真空罐轴向行程800mm，移动速度0.3～1.5m/min，滚转方向角度行程-360°～+360°，转速1r/min，精度0.5°。

试验结果如表1所示，试验结果表明本方法可以避免地面试验中工具、接口滑落，试验摄像记录完整有效，基于载人航天器舱外维修地面模拟系统，可以模拟舱外航天服手套压差，且模拟的内外压差可调，同时模拟不同的相对位置，试验无需生产水下试验件，降低了成本。

表1

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。