本發(fā)明涉及一種航天器艙外在軌操作地面試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

長期在軌運(yùn)營的航天器，可靠性要求高，其研制難度前所未有。

“和平號”空間站通過維修將壽命延長到15年，延壽期間航天員75％的時(shí)間在開展維修工作。國際空間站通過維修將延壽到2024年，航天員日常40％的時(shí)間在開展維修工作，截至2016年9月，共開展了384次出艙維修維護(hù)。哈勃望遠(yuǎn)鏡在二十余年在軌運(yùn)行中，接受了陀螺儀、電池、精確制導(dǎo)傳感器的更換等多次維護(hù)服務(wù)。在軌維護(hù)是保證長期在軌運(yùn)營飛行器正常在軌運(yùn)營必不可少的關(guān)鍵措施。

密封艙艙外真空、冷黑、照明、溫度、設(shè)備狀態(tài)及艙外航天服特性對艙外產(chǎn)品的在軌維護(hù)可操作性影響大，故艙外產(chǎn)品在軌可操作性設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和實(shí)施的難度很大。而且，長期在軌運(yùn)營航天器艙外眾多具有控制、推進(jìn)、通信、能源、空間技術(shù)等關(guān)鍵功能的產(chǎn)品需要出艙維修維護(hù)。故對于我國長期在軌運(yùn)營載人航天器，如何開展試驗(yàn)驗(yàn)證艙外在軌操作可行性，是一項(xiàng)亟待解決的難題。

目前國內(nèi)外常用的艙外操作地面試驗(yàn)方法有以下兩種：(1)吊裝試驗(yàn)方法，參試人員著艙外服，并通過吊具將艙外服懸吊起來，并調(diào)整合適操作位置，開展操作驗(yàn)證試驗(yàn)；(2)中性浮力水槽試驗(yàn)方法，參試人員著水下艙外服，在中性浮力水槽中開展艙外操作驗(yàn)證試驗(yàn)。(3)氣浮臺試驗(yàn)方法，參試產(chǎn)品置于氣浮臺上，開展在軌操作驗(yàn)證試驗(yàn)。(4)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真方法，通過構(gòu)建虛擬場景，開展沉浸式在軌操作仿真試驗(yàn)。

目前現(xiàn)有的試驗(yàn)方法的缺點(diǎn)：

(1)吊裝試驗(yàn)方法和中性浮力水槽試驗(yàn)方法均對參試人員素質(zhì)提出較高要求，且試驗(yàn)前需要長時(shí)間準(zhǔn)備，試驗(yàn)周期長。

(2)中性浮力水槽試驗(yàn)方法，參試產(chǎn)品位于水下，無法加電工作，真實(shí)模擬產(chǎn)品工作狀態(tài)；

(3)氣浮臺試驗(yàn)方法，只能開展無人在軌操作試驗(yàn)驗(yàn)證，無法開展人參與艙外在軌操作試驗(yàn)驗(yàn)證。

(4)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真方法，無法模擬產(chǎn)品工作狀態(tài)，以及航天員著航天服操作特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有的不足，提供一種航天器艙外在軌操作地面試驗(yàn)方法，通過在地面試驗(yàn)系統(tǒng)上開展在軌操作試驗(yàn)，解決載人航天器長期在軌飛行期間，艙外操作可行性的驗(yàn)證問題。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種航天器艙外在軌操作地面試驗(yàn)方法，包括步驟如下：

步驟一、將試驗(yàn)件固定安裝在真空罐內(nèi)的伺服機(jī)構(gòu)上；

步驟二、將真空罐大門上的左手安裝口、右手安裝口上的蓋板拆除；

步驟三、在左手安裝口、右手安裝口處分別安裝左手艙外航天服手套、右手艙外航天服手套；

步驟四、檢查真空罐大門密封面無異物，關(guān)閉真空罐大門并鎖緊；

步驟五、通過伺服平臺控制臺調(diào)整伺服機(jī)構(gòu)，使得試驗(yàn)件到達(dá)左手艙外航天服手套、右手艙外航天服手套操作范圍內(nèi)；

步驟六、通過泵組控制臺控制泵組，調(diào)整真空罐內(nèi)氣壓至設(shè)定的氣壓值，所述的設(shè)定的氣壓值為大氣壓與艙外航天服工作壓力的差值；

步驟七、將雙手伸入左手艙外航天服手套、右手艙外航天服手套，使用左手艙外航天服手套、右手艙外航天服手套對試驗(yàn)件進(jìn)行操作，利用觀察窗查看操作完成情況；記錄操作時(shí)間，并利用真空罐內(nèi)的攝像機(jī)記錄操作圖像；如果操作失敗，記錄操作失敗原因；

步驟八、打開真空罐上的容器復(fù)壓閥門，將真空罐內(nèi)的氣壓恢復(fù)至外部環(huán)境的氣壓；打開真空罐大門，拆除試驗(yàn)件，將左手艙外航天服手套、右手艙外航天服手套拆除，在左手安裝口、右手安裝口恢復(fù)安裝蓋板；

步驟九、根據(jù)步驟六中獲得的操作時(shí)間、操作圖像、操作失敗原因，確定艙外操作是否可行。

所述步驟三中左手艙外航天服手套、右手艙外航天服手套的具體安裝方法如下：

a、將手套密封圈分別套在左手安裝法蘭、右手安裝法蘭上；

b、將左手艙外航天服手套、右手艙外航天服手套分別套在左手安裝法蘭、右手安裝法蘭上；

c、將卡箍分別套在手套密封圈位置處，將手套密封圈壓緊；

d、將法蘭密封圈分別安裝至左手安裝口、右手安裝口上的密封溝槽中；

e、將左手艙外航天服手套、右手艙外航天服手套分別穿過左手安裝口、右手安裝口及操作平臺，使得左手安裝法蘭、右手安裝法蘭分別卡在左手安裝口、右手安裝口邊緣的環(huán)形安裝凸臺上；

f、將法蘭密封圈安裝至法蘭蓋板上的密封溝槽中，使用法蘭蓋板分別壓緊左手安裝法蘭、右手安裝法蘭。

所述真空罐大門中部設(shè)置有操作平臺，操作平臺上設(shè)置有觀察窗、左手安裝口、右手安裝口，左手安裝口、右手安裝口關(guān)于操作平臺軸線對稱且位于觀察窗下方。

所述伺服機(jī)構(gòu)位于真空罐內(nèi)部，安裝在支架導(dǎo)軌上，支架導(dǎo)軌位于真空罐內(nèi)部，支架導(dǎo)軌固定在真空罐底部，伺服機(jī)構(gòu)安裝在支架導(dǎo)軌上。

所述伺服機(jī)構(gòu)上安裝試驗(yàn)件，在伺服機(jī)構(gòu)控制臺的控制下具有四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度是指真空罐軸向、鉛垂向、水平面內(nèi)垂直于真空罐軸向、滾轉(zhuǎn)。

所述左手安裝口、右手安裝口中心的連線與過觀察窗中心的對稱軸垂直，左手安裝口、右手安裝口的中心間距為400mm；觀察窗中心與左手安裝口、右手安裝口中心連線的垂直距離為280mm。

所述左手安裝口、右手安裝口的中心連線距離地面高度的取值范圍為1400mm～1600mm。

所述手套密封圈或法蘭密封圈的材料為26-41氟橡膠。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明所述試驗(yàn)方法采用調(diào)整伺服機(jī)構(gòu)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，改變試驗(yàn)件位置和姿態(tài)的方法，達(dá)到改變操作人員與試驗(yàn)件相對位置的目的，避免了操作人員在地面條件下，調(diào)整位置和姿態(tài)難度較大的問題；

(2)本發(fā)明所述試驗(yàn)方法通過調(diào)整真空室內(nèi)氣壓，與真空室外常壓形成壓差，模擬著艙外服手套操作真實(shí)的壓差環(huán)境，使試驗(yàn)操作接近真實(shí)情況，且操作人員處于常壓條件下，避免了操作人員著加壓服帶來的身體上的不適，降低了對操作人員素質(zhì)的要求；

(3)本發(fā)明所述試驗(yàn)方法試驗(yàn)前狀態(tài)設(shè)置便捷，能夠快速開展試驗(yàn)，節(jié)約大量試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間；與水槽試驗(yàn)相比，本發(fā)明適應(yīng)性強(qiáng)，試驗(yàn)成本低，對試驗(yàn)場地要求低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所用地面試驗(yàn)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)正視圖；

圖2是本發(fā)明所用地面試驗(yàn)系統(tǒng)的組成剖視圖；

圖3是本發(fā)明所用地面試驗(yàn)系統(tǒng)的組成俯視圖；

圖4為艙外航天服手套安裝示意圖；

圖5為艙外航天服手套與安裝法蘭連接裝置示意圖；

圖6為本發(fā)明航天器艙外在軌操作地面試驗(yàn)方法的流程圖；

圖7為本發(fā)明伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明底座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明立柱結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖9(a)是立柱正視圖，圖9(b)是立柱立體圖；

圖10為本發(fā)明滑板結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖10(a)是滑板俯視圖，圖10(b)是滑板立體圖；

圖11為本發(fā)明轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖11(a)是轉(zhuǎn)臺正視圖，圖11(b)是轉(zhuǎn)臺側(cè)視圖，圖11(c)是轉(zhuǎn)臺俯視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1、圖2、圖3所示，航天器艙外在軌操作地面試驗(yàn)系統(tǒng)，包括伺服機(jī)構(gòu)7、伺服機(jī)構(gòu)控制臺8、真空罐6、觀察窗3、艙外航天服手套13、14和支架導(dǎo)軌22；真空罐6上設(shè)置有觀察窗3和艙外航天服手套13、14，艙外航天服手套13、14伸入到所述真空罐6內(nèi)部，且與真空罐6之間密封連接；支架導(dǎo)軌22和伺服機(jī)構(gòu)7均位于真空罐6內(nèi)部，支架導(dǎo)軌22固定在真空罐6底部，伺服機(jī)構(gòu)7安裝在支架導(dǎo)軌22上；試驗(yàn)件9安裝在伺服機(jī)構(gòu)7上，在伺服機(jī)構(gòu)控制臺8的控制下具有四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度是指真空罐6軸向、鉛垂向、水平面內(nèi)垂直于真空罐6軸向、滾轉(zhuǎn)。如圖7所示，y方向即是真空罐6軸向，z方向即是鉛垂向，x方向即是水平面內(nèi)垂直于真空罐6軸向的方向；x方向、y方向和z方向兩兩垂直，且滿足右手定律。泵組控制臺11控制泵組12，泵組12與真空罐6相連，用于調(diào)節(jié)真空罐6內(nèi)壓力。真空罐6內(nèi)部與外部的壓力差與艙外航天服手套13、14的內(nèi)外壓差相同。航天器艙外在軌操作地面試驗(yàn)系統(tǒng)還包括攝像機(jī)10，安裝在真空罐6內(nèi)的頂部。

如圖4、圖5所示，操作平臺2通過法蘭安裝在真空罐大門1中部，觀察窗3安裝在操作平臺2上，操作平臺2上開有左手安裝口4、右手安裝口5，左手安裝口4、右手安裝口5關(guān)于操作平臺2軸線對稱且位于觀察窗3下方；左手艙外航天服手套13密封安裝在左手安裝口4，右手艙外航天服手套14密封安裝在右手安裝口5；真空罐大門1安裝在容器支撐鞍座上，通過容器支撐鞍座調(diào)整真空罐大門1的高度。

手套密封圈18分別套在左手安裝法蘭15、右手安裝法蘭16的套筒結(jié)構(gòu)上；左手艙外航天服手套13套在左手安裝法蘭15的套筒結(jié)構(gòu)上，右手艙外航天服手套14套在右手安裝法蘭16的套筒結(jié)構(gòu)上，卡箍17壓緊手套密封圈18實(shí)現(xiàn)左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14邊緣的密封；左手安裝法蘭15、右手安裝法蘭16分別穿過左手安裝口4、右手安裝口5，左手安裝法蘭15、右手安裝法蘭16的法蘭盤卡在左手安裝口4、右手安裝口5邊緣的環(huán)形安裝凸臺上，法蘭蓋板19分別與左手安裝口4、右手安裝口5邊緣的環(huán)形安裝凸臺配合，壓緊左手安裝法蘭15、右手安裝法蘭16的法蘭盤。

左手安裝法蘭15的法蘭盤與左手安裝口4的環(huán)形安裝凸臺之間或右手安裝法蘭16的法蘭盤與右手安裝口5的環(huán)形安裝凸臺之間安裝法蘭密封圈20、21。左手安裝法蘭15或右手安裝法蘭16的法蘭盤與法蘭蓋板19之間安裝法蘭密封圈20、21。觀察窗3中間為透明的玻璃材料。手套密封圈18、法蘭密封圈20、21的材料為26-41氟橡膠。

左手安裝口4、右手安裝口5中心的連線與過觀察窗3中心的對稱軸垂直，左手安裝口4、右手安裝口5的中心間距為400mm；觀察窗3中心與左手安裝口4、右手安裝口5中心連線的垂直距離為280mm。

左手安裝口4、右手安裝口5的中心連線距離地面高度的取值范圍為1400mm～1600mm。

如圖6所示，本發(fā)明的一種航天器艙外在軌操作地面試驗(yàn)方法，包括步驟如下：

步驟一、將試驗(yàn)件9固定安裝在真空罐6內(nèi)的伺服機(jī)構(gòu)7上；

步驟二、將真空罐大門1上的左手安裝口4、右手安裝口5上的蓋板拆除；

步驟三、將手套密封圈18分別套在左手安裝法蘭15、右手安裝法蘭16上；將左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14分別套在左手安裝法蘭15、右手安裝法蘭16上；將卡箍17分別套在手套密封圈18位置處，擰緊卡箍17的鎖緊螺釘，將手套密封圈18壓緊，從而壓緊左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14邊緣；將法蘭密封圈20分別安裝至左手安裝口4、右手安裝口5上的密封溝槽中；將左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14分別穿過左手安裝口4、右手安裝口5及操作平臺2，使得左手安裝法蘭15、右手安裝法蘭16分別卡在左手安裝口4、右手安裝口5邊緣的環(huán)形安裝凸臺上；將法蘭密封圈21安裝至法蘭蓋板19上的密封溝槽中；使用法蘭蓋板19分別壓緊左手安裝法蘭15、右手安裝法蘭16，對齊螺紋孔后使用螺釘擰緊。

安裝左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14過程中，通過多重密封手段，減小真空罐6漏氣量。

步驟四、檢查真空罐大門1密封面無異物，關(guān)閉真空罐大門1并鎖緊；

密封面若存在異物，會(huì)影響真空罐6密封性，因此要進(jìn)行檢查并清理。

步驟五、通過伺服平臺控制臺8調(diào)整伺服機(jī)構(gòu)7，使得試驗(yàn)件9到達(dá)艙外航天服手套13、14操作范圍內(nèi)；

通過調(diào)整試驗(yàn)件9與左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14相對位置，可以對艙外操作相對進(jìn)行精確模擬；

步驟六、通過泵組控制臺11控制泵組12，調(diào)整真空罐6內(nèi)氣壓至設(shè)定的氣壓值，所述的設(shè)定的氣壓值為大氣壓與艙外服工作壓力的差值；在本發(fā)明中，設(shè)定的氣壓值為60kpa±2kpa；

設(shè)定氣壓值為大氣壓與艙外服工作壓力的差值，可以使試驗(yàn)中左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14的操作特性與真實(shí)的艙外在軌操作一致。

步驟七、將雙手伸入左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14內(nèi)，使用左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14對試驗(yàn)件9進(jìn)行操作，例如維修、在軌裝配、檢測，完成航天員在太空中著艙外航天服進(jìn)行艙外操作的模擬，利用觀察窗3查看左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14的操作完成情況；記錄操作時(shí)間，并利用真空罐6內(nèi)的攝像機(jī)10記錄操作圖像；如果操作失敗，記錄操作失敗原因；

步驟八、打開真空罐6上的容器復(fù)壓閥門，將真空罐6內(nèi)的氣壓恢復(fù)至外部環(huán)境的氣壓；打開真空罐大門1，拆除試驗(yàn)件9，將左手艙外航天服手套13、右手艙外航天服手套14拆除，在左手安裝口4、右手安裝口5恢復(fù)安裝蓋板；

步驟九、根據(jù)步驟六中獲得的操作時(shí)間、操作圖像、操作失敗原因，確定艙外操作是否可行。

伺服機(jī)構(gòu)7具體形式如下：如圖7所示，伺服機(jī)構(gòu)7包括底座71、立柱72、滑板73和轉(zhuǎn)臺74；底座71固定在支架導(dǎo)軌22上，立柱72垂直安裝在底座71上，且沿真空罐6軸向移動(dòng)；滑板73垂直安裝在立柱72上且滑板73沿立柱72移動(dòng)；轉(zhuǎn)臺74與滑板73連接，轉(zhuǎn)臺74沿滑板73移動(dòng)，試驗(yàn)件9固定在轉(zhuǎn)臺74的轉(zhuǎn)盤上。

如圖8所示，底座71包括底座框架111、底座導(dǎo)軌112、絲杠113和交流伺服電機(jī)114；底座框架111固定在支架導(dǎo)軌22上，兩個(gè)底座導(dǎo)軌112沿真空罐6的軸向，平行安裝在底座框架111上，絲杠113和交流伺服電機(jī)114安裝在底座框架111內(nèi)部，絲杠113采用螺旋升降機(jī)的結(jié)構(gòu)型式，交流伺服電機(jī)114驅(qū)動(dòng)絲杠113轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)立柱72沿底座導(dǎo)軌112移動(dòng)。

如圖9(a)、圖9(b)所示，立柱72包括立柱框架121、立柱導(dǎo)軌122、滑塊123、第二交流伺服電機(jī)124、第二絲杠125和螺母座126；兩個(gè)相互平行的立柱導(dǎo)軌122安裝在立柱框架121上，且立柱導(dǎo)軌122的安裝方向?yàn)殂U垂向，立柱框架121與底座導(dǎo)軌112之間采用滑塊123連接，通過滑塊123支撐和限位；螺母座126與底座71上的絲杠113相配合，用于帶動(dòng)立柱72沿底座導(dǎo)軌112移動(dòng)；第二交流伺服電機(jī)124和第二絲杠125安裝在立柱框架121內(nèi)部，第二交流伺服電機(jī)124驅(qū)動(dòng)第二絲杠125轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)滑板73沿立柱導(dǎo)軌122移動(dòng)。

如圖10(a)、圖10(b)所示，滑板73包括滑板框架131、滑板導(dǎo)軌132、第二滑塊133、第三交流伺服電機(jī)134、第三絲杠135和第二螺母座136；滑板框架131通過第二滑塊133安裝在立柱導(dǎo)軌122上，滑板框架131的安裝方向與立柱導(dǎo)軌122垂直，并且滑板框架131的安裝方向還垂直于真空罐6軸向；在滑板框架131上安裝有兩個(gè)相互平行的滑板導(dǎo)軌132，滑板導(dǎo)軌132與立柱導(dǎo)軌122垂直，且兩個(gè)滑板導(dǎo)軌132所在的平面為鉛垂面；第二螺母座136與立柱72上的第二絲杠125相配合，用于帶動(dòng)滑板73沿立柱導(dǎo)軌122移動(dòng)；第三交流伺服電機(jī)134和第三絲杠135安裝在滑板框架131內(nèi)部，第三交流伺服電機(jī)134驅(qū)動(dòng)第三絲杠135，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺74沿滑板導(dǎo)軌132移動(dòng)。

如圖11(a)、圖11(b)、圖11(c)所示，轉(zhuǎn)臺74包括轉(zhuǎn)臺框架141、轉(zhuǎn)盤142、第三滑塊143、第四交流伺服電機(jī)144和第三螺母座145；轉(zhuǎn)臺框架141通過第三滑塊143與滑板導(dǎo)軌132連接，轉(zhuǎn)臺框架141內(nèi)部安裝有第四交流伺服電機(jī)144，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤142旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤142上設(shè)有十字凹槽，凹槽橫截面為倒“t”形，用于固定試驗(yàn)件9；第三螺母座145與第三絲杠135配合，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺框架141沿滑板導(dǎo)軌132移動(dòng)。

航天器上行物資成本高，在軌操作難度大，在軌操作任務(wù)失敗將帶來巨大損失。本發(fā)明所述試驗(yàn)方法，能夠在地面準(zhǔn)確模擬航天員著艙外航天服操作特性，驗(yàn)證航天器艙外產(chǎn)品在軌操作可行性，為航天器艙外產(chǎn)品在軌可操作設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，降低了艙外產(chǎn)品在軌不可操作的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)方法，準(zhǔn)備時(shí)間短，試驗(yàn)成本低，能夠提升工程研制效率和成本控制水平。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明中未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識。