我國(guó)空間站出艙活動(dòng)通用設(shè)計(jì)和實(shí)施技術(shù)

李學(xué)東 謝圓 朱光辰

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(2 北京航天飛行控制中心,北京 100094)

航天員出艙活動(dòng)是載人航天技術(shù)的重要組成部分,是最具載人航天特點(diǎn)的航天飛行任務(wù)。作為大型多艙段復(fù)雜構(gòu)型航天器,空間站要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在軌可靠、安全、穩(wěn)定運(yùn)行,必須具備在軌組裝及維修維護(hù)能力,需要航天員出艙完成一系列艙外操作任務(wù),如大型組件裝配、壽命到期部件更換、故障件維修、艙外有效載荷照料等。盡管近年來機(jī)械臂技術(shù)和人工智能術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步,但仍不能代替大量復(fù)雜精細(xì)作業(yè)所需的實(shí)時(shí)觀察、判斷、決策、執(zhí)行能力和人的主觀能動(dòng)性,航天員出艙活動(dòng)仍是支持空間站運(yùn)行、擴(kuò)展空間站應(yīng)用服務(wù)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。

2008年9月25日,我國(guó)神舟七號(hào)載人飛船發(fā)射升空;9月27日航天員翟志剛在劉伯明協(xié)助下從氣閘艙實(shí)現(xiàn)了我國(guó)第1次在軌出艙活動(dòng)。通過神舟七號(hào)載人飛船在軌任務(wù),我國(guó)突破了出艙任務(wù)氣閘艙過閘和部分艙外操作的關(guān)鍵技術(shù),但屬于單航天器出艙功能驗(yàn)證飛行,未涉及執(zhí)行航天器組合體艙外操作任務(wù),尚未突破和掌握全部的艙外轉(zhuǎn)移和操作技術(shù)并形成系統(tǒng)、完整的出艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,航天員未開展對(duì)艙外設(shè)備的復(fù)雜操作。我國(guó)空間站出艙任務(wù)主要面向空間站艙外設(shè)備和載荷的組裝和維修,出艙活動(dòng)技術(shù)主要包括氣閘艙技術(shù)、艙外活動(dòng)支持技術(shù)、艙外航天服支持技術(shù)、通信照明保障技術(shù)等?？臻g站出艙技術(shù)具有工作模式多樣、出艙時(shí)間長(zhǎng)、活動(dòng)范圍大、分系統(tǒng)參與性和耦合性強(qiáng)等特點(diǎn)[3-5],由此也引入了機(jī)械臂支持、資源可重復(fù)利用、艙外Wi-Fi無線通信等新技術(shù)。

本文按照我國(guó)空間站出艙活動(dòng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)要素,分別介紹了任務(wù)目標(biāo)、詳細(xì)技術(shù)方案設(shè)計(jì)和主要技術(shù)特點(diǎn),并對(duì)出艙活動(dòng)技術(shù)在天宮空間站的多次任務(wù)實(shí)施進(jìn)行了總結(jié),對(duì)未來技術(shù)應(yīng)用方向提出了展望。

1 出艙活動(dòng)任務(wù)目標(biāo)及系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)空間站任務(wù)規(guī)劃,出艙活動(dòng)任務(wù)可分為五大類,具體任務(wù)包括:①空間站平臺(tái)的大型結(jié)構(gòu)組裝裝配;②艙外設(shè)備維護(hù)維修;③航天員參與的艙外科學(xué)試驗(yàn);④航天員艙外情況監(jiān)測(cè);⑤出艙活動(dòng)技術(shù)驗(yàn)證[6]。

我國(guó)空間站(構(gòu)型見圖1)在繼承神舟七號(hào)載人飛船出艙經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合空間站任務(wù)需求,在出艙活動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、艙外作業(yè)任務(wù)規(guī)劃、艙外活動(dòng)輔助支持等方面進(jìn)行了長(zhǎng)期、多次出艙任務(wù)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

(1)提出以氣閘艙集成設(shè)計(jì)和艙外不同任務(wù)通用化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的出艙系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,解決空間站多艙段、多任務(wù)、工作模式多樣和多系統(tǒng)協(xié)同的出艙強(qiáng)耦合問題,實(shí)現(xiàn)氣體復(fù)用技術(shù)在我國(guó)載人航天領(lǐng)域的首次在軌應(yīng)用。

(2)國(guó)內(nèi)首次建立出艙任務(wù)全流程地面驗(yàn)證體系,包括系統(tǒng)級(jí)3維人-服-艙仿真驗(yàn)證、航天器緊湊空間約束下的過閘布局驗(yàn)證、出艙全流程安全性驗(yàn)證、低壓環(huán)境驗(yàn)證、微重力環(huán)境下可操作性驗(yàn)證等,解決了航天員在出艙任務(wù)中空間約束、保障約束、天地差異大、安全性要求高等一系列難題。

(3)提出一種機(jī)械臂轉(zhuǎn)移航天員和航天員自主轉(zhuǎn)移相結(jié)合的快速轉(zhuǎn)移方法,滿足多艙段、多任務(wù)艙外工作點(diǎn)在既定時(shí)間約束下解決航天員跨艙段大范圍轉(zhuǎn)移、在工作點(diǎn)體位固定及維修設(shè)備轉(zhuǎn)移的三大難題。

圖1 天宮空間站Fig.1 Tiangong space station

2 出艙活動(dòng)通用設(shè)計(jì)和實(shí)施技術(shù)

我國(guó)出艙活動(dòng)技術(shù)主要包括航天員每次任務(wù)固定的通用技術(shù)和針對(duì)不同任務(wù)存在差異的實(shí)施技術(shù)。通用技術(shù)主要包括航天員過閘的氣閘艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)、出艙活動(dòng)通用設(shè)備設(shè)計(jì)、出艙活動(dòng)通信監(jiān)視保障技術(shù)和艙外服系統(tǒng)設(shè)計(jì);實(shí)施技術(shù)主要包括不同任務(wù)的水下試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)、出艙任務(wù)艙外轉(zhuǎn)移技術(shù)及在軌驗(yàn)證技術(shù)。

2.1 氣閘艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣閘艙是航天員從艙內(nèi)載人環(huán)境進(jìn)入真空的太空環(huán)境的過渡艙段[7]。氣閘艙的主要功能包括:提供2名航天員穿脫艙外服的空間和助力裝置,以及泄壓至真空確保航天員可以打開艙門進(jìn)入太空?，F(xiàn)役的具備開展航天員出艙任務(wù)的飛行器包括我國(guó)研制的天宮空間站和美國(guó)牽頭研制的“國(guó)際空間站”?！皣?guó)際空間站”現(xiàn)有2個(gè)氣閘艙,即探索號(hào)聯(lián)合氣閘艙(構(gòu)型見圖2和圖3,可供美俄2種型號(hào)的航天服共同使用)和星辰號(hào)氣閘對(duì)接艙(僅支持俄羅斯航天服出艙)。探索號(hào)氣閘艙約4.25m3,僅支持2名穿著艙外服的航天員過閘。航天員穿脫艙外服與設(shè)備過閘均不在氣閘艙進(jìn)行[8]。

各類飛行器支持航天員出艙的氣閘艙如表1所示。空間站長(zhǎng)期在軌使用專用的氣閘艙,包括外掛和實(shí)驗(yàn)艙攜帶2種形式,但其位置必然都位于密封艙的端部。

表1 氣閘艙能力Table 1 Capabilities of airlock module

圖2 探索號(hào)聯(lián)合氣閘艙Fig.2 Quest joint airlock module

圖3 探索號(hào)聯(lián)合氣閘艙艙內(nèi)視角Fig.3 Inside view of Quest joint airlock module

2.1.1 我國(guó)氣閘艙配置情況

我國(guó)空間站配備了2個(gè)氣閘艙,分別屬于核心艙和問天實(shí)驗(yàn)艙。不同于“國(guó)際空間站”2個(gè)氣閘艙只能分別支持美國(guó)艙外服和俄羅斯艙外服過閘,我國(guó)2個(gè)氣閘艙均可支持飛天艙外服開展出艙任務(wù)。在出艙過程中,節(jié)點(diǎn)艙艙載支持設(shè)備均保持加電狀態(tài),當(dāng)問天氣閘艙出現(xiàn)不可返回的極端工況,航天員可通過核心艙的節(jié)點(diǎn)艙安全返回密封艙。其中,核心艙的節(jié)點(diǎn)艙可為航天員提供7.4m3的容身空間,問天實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙可提供10m3。航天員穿脫艙外服與過閘,以及標(biāo)準(zhǔn)尺寸的設(shè)備過閘均在氣閘艙,氣閘艙兼作艙外服組裝、檢查、測(cè)試、貯存和著裝場(chǎng)所,容積較大。

2.1.2 氣閘艙布局設(shè)計(jì)

我國(guó)問天氣閘艙可為航天員提供10m3的容身空間。針對(duì)航天員穿脫艙外服與過閘的容身要求,以及標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)備過閘空間要求,對(duì)我國(guó)航天員穿著航天服狀態(tài)下的身體包絡(luò)、腿部、膝部和腳踝的活動(dòng)自由度和航天員視域等數(shù)據(jù)作為輸入建立Jack軟件的動(dòng)態(tài)模型(見圖4),用每一步真實(shí)操作驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)開展數(shù)字仿真和利用艙外服在真實(shí)艙段驗(yàn)證的方法,完成氣閘艙艙外服組裝、檢查、測(cè)試、貯存和著裝場(chǎng)所的空間設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

圖4 航天員在氣閘艙內(nèi)操作仿真Fig.4 Simulation of astronaut operating in airlock module

2.1.3 氣閘艙艙門開啟助力設(shè)計(jì)

空間站氣閘艙采用艙門開啟助力設(shè)備設(shè)計(jì),將神舟七號(hào)航天員在2kPa艙壓下著艙外服手拉式開門方式改進(jìn)成助力裝置輔助泄壓方式,開門操作力從500N降到100N以下。圖5為航天員在軌打開氣閘艙出艙艙門。

圖5 航天員利用助力手柄打開出艙艙門Fig.5 An astronaut uses assisting handle to open hatch

2.1.4 泄復(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣閘艙泄復(fù)壓功能旨在對(duì)氣閘艙進(jìn)行泄壓與加壓,滿足氣閘艙環(huán)境從艙內(nèi)常壓環(huán)境到真空環(huán)境雙向過渡。在此期間,要配合航天員穿脫航天服,保護(hù)航天員安全過閘。

為解決密封艙泄壓系統(tǒng)和復(fù)壓系統(tǒng)均涉及到的出艙壓控系統(tǒng)安全性難題,制定泄復(fù)壓功能由泄壓、復(fù)壓2套系統(tǒng)互相獨(dú)立設(shè)計(jì)的方法。泄壓時(shí),采用抽氣的方式將氣閘艙內(nèi)的氣體抽送至大艙;復(fù)壓時(shí),利用大艙進(jìn)行復(fù)壓,實(shí)現(xiàn)氣閘艙部分氣體的復(fù)用,以節(jié)省氣體資源。圖6為泄復(fù)壓系統(tǒng)組成。

圖6 泄復(fù)壓系統(tǒng)組成Fig.6 Composition of pressure system

2.2 出艙活動(dòng)艙外轉(zhuǎn)移支持技術(shù)

2.2.1 機(jī)械臂支持轉(zhuǎn)移和操作

航天員在艙外進(jìn)行作業(yè)時(shí),需要利用艙外腳限位器固定腳部,從而手部施力操作設(shè)備?？臻g站艙外操作項(xiàng)目均通過機(jī)械臂將航天員運(yùn)送到工作地點(diǎn),再利用機(jī)械臂上的腳限位器固定航天員腳部,航天員手部利用電動(dòng)工具或徒手開展工作地點(diǎn)的維修任務(wù)。此種方式活動(dòng)范圍廣,能夠較快地到達(dá)工作地點(diǎn),同時(shí),機(jī)械臂上可以攜帶在軌更換設(shè)備(ORU)和維修工具,運(yùn)送方便快捷,具有較高的效率。航天員和機(jī)械臂及相關(guān)設(shè)備關(guān)系見圖7。

圖7 機(jī)械臂轉(zhuǎn)移航天員Fig.7 Robotic arm transferring an astronaut

2.2.2 自主轉(zhuǎn)移和操作

為保證航天員安全完成艙外自主轉(zhuǎn)移,空間站艙外自主轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移路徑覆蓋所有操作點(diǎn)及機(jī)械臂適配器,確保艙外所有工作點(diǎn)均可達(dá),保障發(fā)生任何故障時(shí)航天員均能轉(zhuǎn)移至氣閘艙?？臻g站艙壁表面設(shè)置出艙活動(dòng)扶手(模型見圖8),航天員身著航天服進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)方便移位并且提供位置限定,具有系繩連接點(diǎn)能夠適應(yīng)系繩裝置掛鉤的使用。圖9為2名航天員在水下利用艙壁扶手自主轉(zhuǎn)移。

圖8 轉(zhuǎn)移扶手模型Fig.8 Model of a handrail

圖9 航天員利用艙壁扶手轉(zhuǎn)移的水下試驗(yàn)Fig.9 Astronaut transfer using handrails in an underwater test

2.3 出艙活動(dòng)通用設(shè)備設(shè)計(jì)

空間站航天員執(zhí)行出艙任務(wù)的工具及裝置,長(zhǎng)期重復(fù)使用的主要包括艙外電動(dòng)工具、微型工作臺(tái)、便攜式關(guān)節(jié)腳限位器和艙外操作臺(tái)。

電動(dòng)工具由電機(jī)控制,以電池為能源,能夠固緊、拆裝螺釘,可以進(jìn)行力矩、速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的設(shè)定,能夠方便航天員進(jìn)行維修操作,減小航天員維修操作的工作量。電動(dòng)工具組成見圖10。

圖10 出艙活動(dòng)電動(dòng)工具組成Fig.10 Composition of EVA electric tools

微型工作臺(tái)(模型見圖11)安裝在航天員艙外航天服的前面。它安裝在出艙服上,將電動(dòng)工具和其他小工具固定,便于航天員攜帶操作工具出艙執(zhí)行任務(wù)。

圖11 出艙活動(dòng)微型工作臺(tái)Fig.11 Mini-workstation for EVA

關(guān)節(jié)式腳限位器(模型見圖12)通過卡槽與機(jī)械臂或者空間站艙壁相連,根據(jù)任務(wù)需求,安裝在不同的工位上。當(dāng)航天員出艙工作固定在腳限位器上時(shí),腳限位器為航天員提供剛性的限位,使其能穩(wěn)定地工作。

圖12 關(guān)節(jié)式腳限位器Fig.12 Articulating portable foot restraint

艙外操作臺(tái)(模型見圖13)為機(jī)械臂上遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)備提供取放空間接口,艙外操作臺(tái)裝到便攜式腳限位器上以后可整體繞軸線±90°旋轉(zhuǎn),航天員在軌可根據(jù)實(shí)際情況組合使用。

圖13 艙外操作臺(tái)使用圖Fig.13 Diagram of extra-vehicular operation console

2.4 出艙活動(dòng)通信監(jiān)視保障技術(shù)

2.4.1 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間站出艙通信系統(tǒng)主要包括有線通信、超高頻(UHF)無線通信和Wi-Fi無線通信。其中,有線通信(臍帶)和UHF無線通信能夠?qū)崿F(xiàn)出艙航天員與艙內(nèi)航天員、地面的雙向話音及生理遙測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸,并經(jīng)過了神舟七號(hào)載人飛船飛行任務(wù)的驗(yàn)證。

空間站出艙任務(wù)相比神舟七號(hào)載人飛船活動(dòng)范圍,存在信息傳輸范圍大、機(jī)械臂上航天員轉(zhuǎn)移速度快等特點(diǎn)。因此,打開艙門后,航天員即斷開有線通信,艙外任務(wù)全程采用無線通信,艙外通信連接關(guān)系見圖14。

圖14 艙外航天服與艙載通信設(shè)備連接關(guān)系Fig.14 Connection relationship between an EVA suit and onboard communications devices

為確保信息傳輸多通道下行,艙外服攝像機(jī)圖像傳輸進(jìn)密封艙及下行控制中心,空間站采用基于Wi-Fi技術(shù)的無線通信系統(tǒng)?？臻g站在核心艙艙外設(shè)計(jì)了3副Wi-Fi天線和3副UHF天線。在軌實(shí)測(cè)表明:航天員在艙外轉(zhuǎn)移期間圖像和艙外服數(shù)據(jù)均連續(xù),艙外信號(hào)滿足航天員轉(zhuǎn)移和操作區(qū)域通信暢通。

2.4.2 視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間站2個(gè)氣閘艙內(nèi)均配置了航天員過閘過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視攝像機(jī);艙外配置了艙外照明系統(tǒng)和攝像監(jiān)視系統(tǒng),可全程跟蹤航天員艙外活動(dòng),對(duì)出艙操作對(duì)象提供監(jiān)視手段。圖15為艙外照明系統(tǒng)照明仿真效果,圖16為攝像監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視效果。

圖15 出艙活動(dòng)照明仿真效果Fig.15 EVA lighting simulation effect

2.5 艙外服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間站艙外服系統(tǒng)主要包括艙外服和艙外服相關(guān)支持裝備,見圖17。艙外服保障在空間站艙外開展任務(wù)的航天員的安全,艙載設(shè)備提供航天員穿著艙外服過閘過程的熱、電、信息系統(tǒng)支持。航天員出艙用的艙外服包括服裝面罩、服裝相機(jī)和艙外服相機(jī),航天員艙外執(zhí)行任務(wù)時(shí)提供在艙外真空、高低溫交變工況下的壓力防護(hù)與熱防護(hù)、環(huán)控生保、信息管理、話音通信和攝像等保障支持。出艙活動(dòng)支持裝備支持保障艙外服進(jìn)出氣閘艙期間的任務(wù),由服裝控制臺(tái)、服裝換熱器和空間站內(nèi)回路組成。

圖17 艙外服系統(tǒng)組成Fig.17 Composition of EVA suit system

3 出艙活動(dòng)主要技術(shù)特點(diǎn)分析

蘇聯(lián)/俄羅斯的和平號(hào)空間站在軌工作15年期間,36名航天員共計(jì)進(jìn)行了80次出艙活動(dòng)?，F(xiàn)役的“國(guó)際空間站”,航天員可以從探索號(hào)聯(lián)合氣閘艙和星辰號(hào)氣閘艙分別出艙,平均每年出艙10次左右,開展了大量的航天員出艙組裝建造任務(wù)。我國(guó)空間站從2021年核心艙發(fā)射以來,通過11次出艙任務(wù)驗(yàn)證了出艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和可行性。我國(guó)天宮空間站與神舟七號(hào)、和平號(hào)、“國(guó)際空間站”出艙活動(dòng)能力對(duì)比見表2。可以看出:我國(guó)空間站機(jī)械臂在支持航天員過閘和艙外轉(zhuǎn)移能力等關(guān)鍵指標(biāo)上與國(guó)際一流水平相近[9-10]。

表2 出艙活動(dòng)能力對(duì)比Table 2 Comparison of EVA capabilities

目前,我國(guó)空間站11次出艙任務(wù)中有4次是利用核心艙節(jié)點(diǎn)艙出艙,其余7次通過問天實(shí)驗(yàn)艙專用氣閘艙出艙,航天員操作對(duì)象范圍覆蓋空間站3艙所有艙外操作位置。通過機(jī)械臂轉(zhuǎn)移航天員和航天員自主轉(zhuǎn)移相結(jié)合的快速轉(zhuǎn)移方法,滿足多艙段、多任務(wù)艙外工作點(diǎn)在既定時(shí)間約束下,解決航天員跨艙段大范圍轉(zhuǎn)移、在工作點(diǎn)體位固定及維修設(shè)備轉(zhuǎn)移的三大難題。出艙氣體復(fù)用率最大值達(dá)到了73.4%,優(yōu)于“國(guó)際空間站”70.0%的氣體復(fù)用能力,每年可節(jié)省約124kg氣體,艙載支持設(shè)備和艙外服對(duì)航天員艙外活動(dòng)保障時(shí)間約8h,遠(yuǎn)大于空間站各艙外操作任務(wù)的時(shí)間約束。出艙活動(dòng)技術(shù)滿足艙外設(shè)備和載荷照料要求,整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

4 在軌應(yīng)用和后續(xù)發(fā)展

將出艙活動(dòng)通用設(shè)計(jì)與實(shí)施技術(shù)進(jìn)行在軌應(yīng)用,在空間站神舟十二至神舟十五乘組已經(jīng)開展的11次出艙任務(wù)中,航天員按各次任務(wù)計(jì)劃完成艙外全部預(yù)定任務(wù),保障了空間站長(zhǎng)期在軌駐留。其中,通過出艙任務(wù)完成的艙外擴(kuò)展泵組的安裝,將安裝在資源艙內(nèi)不可維修的外路泵組全部更換為可維修泵組,將各艙的回路壽命提高5年以上,安裝過程見圖18;全景相機(jī)的抬升,將相機(jī)的有用視場(chǎng)角由70°增加為90°,視場(chǎng)變化見圖19。

圖18 艙外擴(kuò)展泵組的安裝Fig.18 Installation of extra vehicular pumps

圖19 全景相機(jī)抬升前后視場(chǎng)變化Fig.19 Field of view before and after panoramic camera lifting

本文提出的空間站面向多任務(wù)、復(fù)雜出艙活動(dòng)通用設(shè)計(jì)與實(shí)施技術(shù),是保證空間站組裝建造及后續(xù)長(zhǎng)期飛行15年任務(wù)順利完成的保障,為航天員在多個(gè)航天器形成的組合體開展出艙任務(wù)提供了飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù),積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。研究成果可直接應(yīng)用在空間站后續(xù)艙段擴(kuò)展、光學(xué)艙艙外維修任務(wù)及艙外科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備艙外安裝等任務(wù)中。系統(tǒng)的出艙活動(dòng)方案設(shè)計(jì)方法也可推廣到探月工程和行星際空間的航天員開展飛行器密封艙外操作任務(wù)中。

5 結(jié)束語

本文介紹了我國(guó)空間站出艙活動(dòng)系統(tǒng)總體通用技術(shù)和實(shí)施技術(shù)設(shè)計(jì),并與國(guó)外同類技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了對(duì)標(biāo)。天宮空間站在軌前11次出艙任務(wù)執(zhí)行情況表明:空間站出艙通用技術(shù)和實(shí)施技術(shù)設(shè)計(jì)合理,有利地保證了空間站出艙活動(dòng)的圓滿成功,具有工程實(shí)用價(jià)值。未來隨著載人探測(cè)任務(wù)需求的不斷提升,出艙活動(dòng)技術(shù)能夠在更多的空間技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。