大型载人航天器舱外试验支持技术

㊀V o l ．３２㊀N o ．５㊀５６㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
第３２卷㊀第５期㊀
２０２３年１０月
大型载人航天器舱外试验支持技术
李喆１㊀罗文成１㊀王蔡健２㊀周涛２
(１北京空间飞行器总体设计部,北京㊀１０００９４)(２上海宇航系统工程研究所,上海㊀２０１１０９)摘㊀要㊀为舱外试验提供支持和保障条件是大型载人航天器的重要任务,文章根据大型载人
航天器舱外载荷的不同类型,提出了标准舱外载荷试验平台和大型舱外载荷试验平台总体设计方案,阐述了舱外载荷试验平台对试验项目的支持资源,明确了舱外载荷试验平台在轨应用流程,并介绍了舱外载荷试验平台的地面验证情况.最后,总结了大型载人航天器舱外试验支持技术的特点,对该技术的在轨应用和验证情况进行了说明,并对技术应用于在轨服务和在轨设施建造任务进行了展望.
关键词㊀大型载人航天器;舱外试验;支持;舱外载荷
中图分类号:V ４７６ １㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀D O I :１０ ３９６９/j
i s s n １６７３Ｇ８７４８ ２０２３ ０５ ００８S u p p o r t T e c h n o l o g y f o rE x t r a v e h i c u l a rT e s t i n g
s o f L a r g eM a n n e dS p
a c e c r a f t L I Z h e １㊀L U O W e n c h e n g １㊀WA N GC a i j
i a n ２㊀Z HO U T a o ２
(１B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e c r a f t S y s t e m E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g １
０００９４,C h i n a )(２A e r o s p a c eS y s t e m E n g i n e e r i n g S h a n g h a i ,S h a n g
h a i ２０１１０９,C h i n a )A b s t r a c t :P r o v i d i n g s u p p o r t a n d g u a r a n t e ec o n d i t i o n s f o re x t r a v e h i c u l a r t e s t i n g i sa n i m p
o r t a n t t a s k f o r l a r g em a n n e ds p a c e c r a f t ．B a s e do n t h ed i f f e r e n t t y p e so f e x t r a v e h i c u l a r p a y l o a do f l a r g
e m a n n e d s p a c e c r a
f t ,t h i s p a p e r p r o p o s e s a s c h e m e o f s t a n d a r d e x t r a v e h i c u l a r p a y l o a d t e s t p
l a t f o r m a n d a no v e r a l l d e s i g n p l a nf o ra l a r g ee x t r a v e h i c u l a r p a y
l o a dt e s t p l a t f o r m．I t e l a b o r a t e so nt h e s u p p o r t r e s o u r c e s o f e x t r a v e h i c u l a r p a y l o a d t e s t p l a t f o r mf o r t h e t e s t p r o j e c t ,a n d c l a r i f i e s t h e o n Ｇo r b i t a p p l i c a t i o n p r o c e s s o f e x t r a v e h i c u l a r p a y l o a d t e s t p
l a t f o r m．T h e g r o u n d v e r i f i c a t i o n s i t u a t i o n o f e x t r a v e h i c u l a r p a y l o a d t e s t p l a t f o r mi s a l s o i n t r o d u c e d ．F i n a l l y ,t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s u p Ｇp o r t t e c h n o l o g y f o r e x t r a v e h i c u l a r t e s t i n g o f l a r g em a n n e d s p a c e c r a f t a r e s u mm a r i z e d ,a n d t h e o n Ｇo r b i t a p p l i c a t i o na n dv e r i f i c a t i o no f t h e t e c h n o l o g y i s e x p l a i n e d ,t h e a p p l i c a t i o no f t h e t e c h n o l o g y
t oo n Ｇo r b i t s e r v i c e a n do n Ｇo r b i t f a c i l i t y c o n s t r u c t i o n t a s k s i s a l s o p r o s p
e c t e d ．K e y w o r d s :l a r g em a n n e d s p a c e c r a
f t ;e x t r a v e h i c u l a r t e s t ;s u p p o r t ;e x t r a v e h i c u l a r p a y l o a d 收稿日期:２０２３Ｇ０６Ｇ０６;修回日期:２０２３Ｇ０９Ｇ２５
作者简介:李喆,男,硕士,高级工程师,从事载人航天器总体设计与研制工作.
㊀㊀开展大规模的空间科学实验与技术试验是大型
载人航天器的重要任务[
１Ｇ６]
.在大型载人航天器开展的空间科学实验与技术试验可分属三大类,即密封舱内试验㊁非密封舱内试验和舱外试验.舱外试验主要研究内容包括以下４个方面:①对地进行全球观测和对 天(太阳系㊁银河和宇宙) 进行天文探
测;②探测空间环境(超高真空㊁微重力㊁来自太阳/银河及宇宙中的各种辐射),研究空间物理学(日地环境㊁空间等离子体㊁磁场㊁高能粒子㊁原子氧㊁陨石);③航天工程材料㊁元部件和系统的性能检验;④空间生物学问题研究(
辐射生物学㊁天体生物学和行星际生物的迁移等)
[７]
.
大型载人航天器配置了舱外试验平台,为舱外载荷提供标准的机械安装㊁供电㊁信息㊁热控等保障资源,特别在运输飞船㊁航天员㊁货物气闸舱㊁机械臂配合下,可实现舱外载荷在轨安装和回收,进而实现舱外载荷的在轨更迭和轮换,支持大型载人航天器运营期内舱外试验支持资源的重复使用㊁持续滚动开展多种学科类型的舱外试验.本文就大型载人航天器舱外试验平台总体设计㊁对舱外载荷保障资源㊁应用流程和地面验证情况进行阐述,对在轨应用情况进行介绍,并提出了后续应用展望,可为后续工程应用提供参考.
１㊀舱外试验支持技术
１ １㊀舱外试验平台总体设计
依据能否通过货物气闸舱自动进出舱,将大型载人航天器舱外载荷分为标准舱外载荷和大型舱外载荷两种类型.其中标准舱外载荷尺寸相对较小,可安装在运输飞船密封舱内上行,并可通过货物气闸舱自动进出舱;大型舱外载荷尺寸相对较大,需安装在运输飞船开放式货舱内上行,无法进入密封舱.依据两类舱外载荷的特点,分别设置标准舱外载荷试验平台和大型舱外载荷试验平台,对舱外载荷试验进行支持.
１)标准舱外载荷试验平台
大型载人航天器在舱外对天面㊁对地面㊁迎风面㊁背风面均设置标准舱外载荷试验平台,满足不同指向类型的舱外载荷布置需求.单发大型载人航天器一般可支持２０~３０个标准舱外载荷开展试验.
标准舱外载荷试验平台与标准舱外载荷的接口设备为载荷适配器.载荷适配器分为主动端和被动端两部分.载荷适配器主动端安装在舱外载荷上,载荷适配器被动端安装在试验平台上,通过载荷适配器主㊁被动端在轨锁紧或解锁实现舱外载荷在试验平台上的安装或拆卸,同时实现试验平台对舱外载荷供电㊁信息㊁热控流体回路(可选)的接通或断开.载荷适配器根据是否具备为标准舱外载荷提供流体回路散热支持,分为载荷适配器I型(无流体回路散热支持)和载荷适配器I I型(有流体回路散热支持)两种.载荷适配器产品外形图１所示.
标准舱外载荷由载荷本体㊁载荷适配器主动端㊁机械臂目标适配器组成.载荷本体尺寸受大型载人航天器对接通道通过性约束,长㊁宽最大为６００mm,高最大为５００mm,质量最大为１６０k g.按照载荷适配器主动端㊁机械臂目标适配器相对安装位置,可分为对面安装方式标准舱外载荷㊁垂直安装方式标准舱外载荷,如图２和图３所示.
图１㊀载荷适配器外形图
F i g １㊀O u t l i n e d r a w i n g o f l o a da d a p t e
r
图２㊀对面安装方式标准舱外载荷
F i g ２㊀S t a n d a r de x t r a v e h i c u l a r l o a do f o p p o s i t e
i n s t a l l a t i o nm e t h o
d
图３㊀垂直安装方式标准舱外载荷
F i g ３㊀S t a n d a r de x t r a v e h i c u l a r l o a do f v e r t i c a l
i n s t a l l a t i o nm e t h o d
７５
㊀㊀第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀李喆等:大型载人航天器舱外试验支持技术
２
)大型舱外载荷试验平台大型载人航天器舱外可设置大型舱外载荷试验平台,开展在轨试验.
大型舱外载荷试验平台与大型舱外载荷的接口设备为停泊装置.停泊装置同样分为主动端和被动端,如图４所示.停泊装置主动端安装在舱外载荷上,被动端安装在试验平台上,通过停泊装置主㊁被动端在轨锁紧或解锁实现舱外载荷在试验平台上的安装或拆卸,同时实现试验平台对舱外载荷供电㊁信息㊁热控流体回路的接通或断开
.
图４㊀停泊装置外形图
F i g ４㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo fm o o r i n g d
e v i c e 大型舱外载荷由载荷本体㊁停泊装置主动端㊁机械臂目标适配器组成.大型舱外载荷尺寸受运输飞船开放式货舱包络约束,长最大为２０００mm ,宽最大为１６５０m m ,高最大为１２００m m ,质量最大为２０００k g
.大型舱外载荷上停泊装置主动端㊁机械臂目标适配器对面安装,如图５所示.
图５㊀大型舱外载荷
F i g ５㊀L a r g
e e x t r a v e h i c u l a r l o a d １ ２㊀对舱外载荷支持设计
１
)供电支持舱外试验平台为每个标准舱外载荷和大型舱外
载荷均提供１路直流供电支持,电压为１００V .
２
)信息支持舱外试验平台为每个标准舱外载荷和大型舱外
载荷均提供１路１５５３B 总线接口和１路以太网接口的信息支持.
１５５３B 总线接口用于传输控制指令㊁
注入数据㊁部分数字量遥测和部分试验数据.以太网接口用于高速传输控制指令㊁注入数据㊁数字量遥测和试验数据.
３
)热控支持大型载人航天器设置舱外载荷流体回路,为安
装在载荷适配器I I 型上的标准舱外载荷以及大型舱外载荷提供流体工质散热支持.
安装在舱外试验平台载荷适配器I 型上的标准
舱外载荷采用被动式散热方式,通过在舱外载荷上开辟散热面解决散热问题.
４
)进出舱支持利用大型载人航天器的货物气闸舱㊁载荷转移机
构等设备,在舱内航天员㊁舱外机械臂操作配合下,自主完成标准舱外载荷进出密封舱,如图６所示.
图６㊀货物气闸舱示意图
F i g ６㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f c a r g
o a i r l o c k 货物气闸舱和载荷转移机构允许转运货物的最大质量和包络尺寸大于标准舱外载荷的质量和包络尺寸.
载荷转移机构上可安装载荷适配器被动端,标准舱外载荷通过载荷适配器实现与载荷转移机构的连接或分离,如图７所示.
８５㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３２卷㊀
图７㊀载荷转移机构与标准舱外载荷连接图
F i g ７㊀L o a d t r a n s f e rm e c h a n i s ma n d s t a n d a r d
e x t r a v e h i c u l a r l o a d c o n n e c t i o nd i a g r a m
㊀㊀５)机械臂操作支持
(１)接口设备
机械臂与舱外载荷的接口设备为机械臂目标适配器.机械臂通过抓取安装在舱外载荷上的机械臂目标适配器实现对舱外载荷的机械连接,并实现供电㊁１５５３B总线㊁图像低压差分信号(L V D S)接口通路的接通.
(２)转运支持
机械臂一端抓取大型载人航天器舱壁上的机械臂基座,另一端抓取舱外载荷,通过各关节运动,实现舱外载荷在大型载人航天器舱外转运[８Ｇ９].
㊀㊀(３)电气支持
机械臂操作舱外载荷过程中为舱外载荷提供以下３种类型电气支持.
①供电支持:机械臂为舱外载荷提供１路直流供电支持,电压为１００V.供电母线接入载荷适配器/停泊装置主动端,然后由载荷适配器/停泊装置主动端分路后再转移供电至舱外载荷本体.
②通信支持:机械臂为舱外载荷提供两路１５５３B总线接口,分别用于传输舱外载荷本体和载荷适配器/停泊装置主动端的总线指令㊁注入数据及数字量遥测数据.
③图像传输支持:机械臂操作大型舱外载荷时,停泊装置主动端配置视觉测量相机,具备成像功能,并将图像数据通过L V D S接口传输至机械臂末端处理器,由机械臂末端处理器根据图像数据解算视觉测量相机光轴相对于停泊装置被动端上相机靶标的位姿,用于机械臂操作大型舱外载荷安装/拆卸过程中的视觉伺服闭环控制.
１ ３㊀舱外试验平台应用流程
标准舱外载荷出舱安装流程为:标准舱外载荷安装在运输飞船密封舱内运抵大型载人航天器ң航天员打开货物气闸舱内舱门ң载荷转移机构伸入工作舱内ң航天员将标准舱外载荷通过载荷适配器安装在载荷转移机构上ң载荷转移机构缩回至货物气闸舱内ң航天员关闭货物气闸舱内舱门ң货物气闸舱泄压ң货物气闸舱外舱门自动打开ң载荷转移机构自动伸出将标准舱外载荷送出舱外ң机械臂抓取标准舱外载荷ң标准舱外载荷通过载荷适配器与载荷转移机构解锁ң机械臂将标准舱外载荷从载荷转移机构上取下ң机械臂大范围转运标准舱外载荷至标准舱外载荷试验平台ң机械臂控制载荷适配器主被动端捕获ң载荷适配器主被动端锁紧ң机械臂释放标准舱外载荷并撤离,如图８所示
.
９５
㊀㊀第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀李喆等:大型载人航天器舱外试验支持技术
图８㊀标准舱外载荷出舱安装示意图
F i g ８㊀S t a n d a r de x t r a v e h i c u l a r l o a d i n s t a l l a t i o nd i a g r a m ㊀㊀大型舱外载荷在轨安装流程为:大型舱外载荷安装在运输飞船货舱运抵大型载人航天器ң机械臂抓取大型舱外载荷ң大型舱外载荷与运输飞船上行连接机构解锁ң机械臂将大型舱外载荷从运输飞船货舱取出ң机械臂大范围转运大型舱外载荷至大型载人航天器舱外待安装位置ң停泊装置主被动端捕获并锁紧ң机械臂释放大型舱外载荷并撤离.
舱外载荷在轨工作流程为:试验平台对舱外载荷供电㊁信息通道接通ң舱外载荷流体回路对舱外载荷流体阀门接通ң舱外载荷开展试验ң舱外载荷流体回路对舱外载荷流体阀门关闭ң试验平台对舱外载荷供电㊁信息通道断开.
舱外载荷在轨回收流程为安装流程的逆过程.２㊀地面验证
２ １㊀综合测试
地面综合测试阶段,开展以下舱外试验平台支持资源验证工作.
(１)安装互换性测试:利用多个载荷适配器/停泊装置主动端,与舱上载荷适配器/停泊装置被动端逐一对接㊁锁紧.
(２)电气接口测试:利用舱外载荷标准件,逐一对舱上载荷适配器/停靠装置被动端输出的供电㊁信息接口进行测试.
测试结果表明:舱外试验平台载荷适配器/停靠装置被动端可支持后续上行舱外载荷在轨安装,试验平台与舱外载荷间供电㊁信息接口匹配.
２ ２㊀真空热试验
真空热试验期间,在载荷适配器I I型被动端㊁载荷适配器I型被动端㊁停泊装置被动端上分别安装舱外载荷热试验件,对试验平台对舱外载荷热支持资源进行测试.试验结果表明,舱外载荷流体回路可正常将舱外载荷热量散出,试验平台与舱外载荷间热接口匹配.
２ ３㊀机械臂操作舱外载荷专项试验
在气浮台上开展了机械臂从载荷转移机构/开放式货舱取下舱外载荷㊁机械臂转运舱外载荷㊁机械臂在试验平台安装舱外载荷全流程验证(如图９所示)[９],结果表明机械臂与舱外载荷间供电㊁１５５３B 总线㊁图像L V D S传输接口匹配,机械臂与载荷适配器/停泊装置操作协同正确
.
图９㊀机械臂气浮台试验
F i g ９㊀M e c h a n i c a l a r ma i r f l o t a t i o n p l a t f o r mt e s t
２ ４㊀载荷进出舱专项试验
开展了货物气闸舱载荷转移机构伸入工作舱㊁操作员安装载荷㊁机构缩回㊁关闭舱门㊁载荷转移机构转动㊁外舱门开启㊁载荷转移机构伸出舱外等全流程验证,结果表明,货物气闸舱自动进出载荷时序设计合理,与进出舱载荷接口匹配,能够完成载荷进出舱任务.
０６㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３２卷㊀
３㊀技术特点分析
１
)智能化水平高通过使用智能化的载荷转移机构㊁外舱门㊁机械臂和载荷适配器/停泊装置,在无需航天员出舱的情况下,即可实现舱外载荷在密封舱内外的自动转移㊁在舱外大范围自动转运㊁在舱外试验平台上自动拆装,有效避免了航天员出舱安装载荷带来的任务风险和航天服寿命折损问题,节约航天员出舱活动所需的在轨工作时间和运营成本,极大提高了在轨应用效率.
２
)试验支持能力强得益于舱外载荷集成化㊁小型化设计,结合采用
集中式舱外试验平台等技术,单发大型载人航天器即可支持２０~３０个标准舱外载荷在轨开展试验,支持标准舱外载荷的数量大于国际上同类型的大型载人航天器.同时大型载人航天器舱外试验支持资源均采用了标准化㊁通用化设计,保障舱外试验项目可持续轮换和更替,最大限度发挥大型载人航天器应用效能.
４㊀在轨应用与展望
在轨开展了大型载人航天器标准舱外载荷出舱
安装和回收进舱任务,如图１０所示[１
０Ｇ１１]
.标准舱外载荷在舱外试验平台安装到位后,平台对载荷供电㊁信息㊁热控流体回路接通,载荷正常开展在轨测试和试验.大型载人航天器舱外试验支持技术完成了在轨验证,可支持大规模舱外试验持续开展
.
图１０㊀标准舱外载荷出舱安装
F i g
１０㊀I n s t a l l a t i o no f s t a n d a r de x t r a v e h i c u l a r l o a d ㊀㊀此外,
大型载人航天器舱外试验支持资源还可应用于在轨服务和在轨设施建造任务.例如,其他停靠大型载人航天器的在轨飞行器,可利用大型载人航天器的机械臂将停靠飞行器的部分模块通过货物气闸舱转运进舱,由航天员对进舱模块进行维修维护;在大型载人航天器舱外空间天线㊁望远镜等复杂设施的在轨组装建造过程中,可利用货物气闸舱将组装模块转运出舱,由机械臂转运安装至舱外试验平台,在舱外试验平台上逐步完成大型设施组装制造.
１
６㊀㊀第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀李喆等:大型载人航天器舱外试验支持技术
５㊀结束语
大型载人航天器舱外试验支持系统以标准舱外载荷和大型舱外载荷为支持对象,提供标准化的安装㊁供电㊁信息㊁热控等支持资源,并可实现舱外载荷的自动部署和回收,保障大型载人航天器运营期内舱外试验项目持续轮换㊁重构和扩展.经地面和在轨飞行验证表明,大型载人航天器舱外试验支持技术设计合理,有利保证了舱外试验任务的圆满成功,具有工程实用价值.随着载人航天事业的不断发展,本文提出的舱外试验支持能够为后续的载人航天器型号提供有益的参考.
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C l a s s r o o m o n l i n e c o u r s e s:P a y l o a de x i tm i s s i o n i s i n
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[１１]中国载人航天工程网．天宫T V 博士乘组 开工!空间辐射生物学装置出舱[E B/O L]．[２０２３Ｇ０６Ｇ１５]．h tＧt p s://w w w．c m s e．g o v．c n/d m t/t g t v/２０２３０７/t２０２３０７２４_
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(编辑:张小琳)
２６㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３２卷㊀。