趙 璐，肖正懿，黃 壘，曾 婷，劉孟周

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

0 引言

大型載人航天器目前主要有飛船、空間站和航天飛機 3種，其中飛船和航天飛機主要用于天地往返運輸，而空間站則長期在太空中運行，提供觀測天地、科學研究、太空生產和在軌服務[1]。目前，空間站從總體構型上大致可分為艙段式和桁架式兩種結構。不管是艙段式還是桁架式，空間站都是以圓筒形壓力艙作為結構基礎?？臻g站為多艙式結構，由居住艙、實驗艙、資源艙、對接過渡艙和氣閘艙等組成，是航天員工作、生活的活動場所[1-2]。

大型密封艙作為大型載人航天器的主體結構，在總裝過程中有水平和垂直兩種停放狀態(tài)。在垂直停放狀態(tài)下，操作人員進入密封艙內進行儀器安裝以及電測配合等操作時，需借助垂直進艙工裝，穿過前端框進入密封艙并到達預定位置時執(zhí)行相應操作。本文將結合大型密封艙裝配特點和需求，研究和探討大型密封艙的垂直進艙方案。

1 大型密封艙的特點

航天器大型密封艙是一個型面復雜的薄壁密封艙，它由球面、錐面和柱面組成，在側壁上分布有多個口框法蘭[3]。密封艙結構復雜，裝配空間局促，裝配的設備儀器數(shù)量巨大，且形狀復雜各異，裝配時易發(fā)生磕損，因此裝配難度極大。密封艙總裝很關鍵，在很大程度上會影響其研制周期和成本，也決定著航天器產品的最終質量。

1.1 密封艙體特點

密封艙通常是由輕質金屬薄壁板焊接而成的圓柱形結構，體積大，密封性能要求高。除特定的吊點和支撐位置外，其他位置均不能作為承力部位。密封艙通常由前錐段、圓柱段及后錐段3部分組成，總高達7～8 m，有的甚至高達10 m以上，直徑在4 m左右。前錐段安裝有艙間連接設備和機構，例如艙門、對接機構及其部分配套設備。這些設備安裝精度要求高，部分光學敏感設備容易受到污染和磕損，需格外防護。圓柱段是航天員生活和工作的主要場所，艙體表面布置有防護板和輻射器，用作空間碎片防護和艙內設備溫度調節(jié)。后錐段根據實際需要配置有效載荷，擴展了密封艙的使用效能。

1.2 密封艙入口特點

密封艙前錐段入口是航天員進出艙的通道，具有通道小、縱深長、周邊儀器設備復雜的特點。入口處有圓形密封艙門，艙門打開時會占據通道部分空間。在艙門外側布置有對接機構機械組件或其他艙間連接機構，艙間連接機構內徑約為0.8 m，入口通道長約0.6 m。如何利用這個狹小通道，將是解決密封艙垂直進艙的關鍵所在。

1.3 艙內布局特點

密封艙內部主要分為航天員自由活動區(qū)、睡眠區(qū)和儀器區(qū)3個區(qū)域。艙內壁周向布置有蜂窩結構板，用作儀器設備安裝（如通風設備、凈化設備、各類電子設備、儀表板布置、艙內照明燈和艙內攝像機等）；艙內前端Ⅱ、Ⅳ象限內各設有一個睡眠區(qū)；自由活動區(qū)位于密封艙的軸線中心位置，基本不安裝設備，是適合垂直進艙工裝布置的位置。

綜上分析，當密封艙垂直停放進行總裝測試時，特別是對接機構安裝完成后，工作人員需要借助垂直進艙工裝穿過對接機構，經由前端框進入密封艙執(zhí)行相應的裝配操作。因此需要根據實際情況設計垂直進艙工裝，以滿足操作人員艙內操作安全和質量要求。

2 垂直進艙方案概述

為解決大型密封艙垂直進艙問題，結合工程實際，設計了3套工裝方案。

2.1 進艙吊籃方案

在密封艙前錐段搭建進艙保護工裝，實現(xiàn)對前錐段關鍵設備的保護，并設計專用吊籃供操作人員進出艙。借助進艙保護工裝安裝進艙導向機構，吊籃在起重機械的起吊下沿導向機構移動至密封艙內位置。吊籃結構如圖1所示，其上裝有踏板，可供人員攜帶裝配物品站立。吊籃四周的護欄采用吊橋式結構，展開時可作為操作平臺使用。吊籃在艙內的位置如圖2所示。

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吊籃在艙內沿著導向機構移動，到達操作位置后，將吊橋式護欄展開并連接牢固，操作人員站在護欄上進行操作。進艙導向機構通過導向塊與保護工裝和艙內底部法蘭相連，防止吊籃晃動和與其他設備防止磕碰。

此方案只需要設計專用的吊籃以及滿足尺寸要求的導桿，借助起重機械即可達到合適操作位置。方案結構簡單，快捷方便，但受起重機械和在垂直狀態(tài)拆裝導桿的局限，預先準備工作以及作業(yè)后恢復工作具有一定的風險。

圖1 吊籃結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of lifting basket

圖2 吊籃使用效果圖Fig.2 The renderings of the basket

2.2 分段式組合梯方案

分段式組合梯主要由分段式支撐框架、固定回轉機構和工作平臺3部分組成，如圖3所示。分段式支撐框架由3個可拆裝的方梯組裝而成，每個方梯都能與過渡盤連接，通過組裝方梯的個數(shù)來調節(jié)進入密封艙內的長度。3個方梯之間的組裝和拆卸不需要任何其他工具，也不會產生如螺釘螺母之類的多余物，定位銷和固定銷也必須用小鏈條拴在工裝本體上，最大限度地避免產生多余物的風險。

固定回轉機構由固定盤和旋轉盤組成，固定盤固定在外圍的工裝法蘭端面上，旋轉盤通過滾柱實現(xiàn)相對于固定盤的旋轉，從而帶動分段式支撐框架旋轉。

將過渡盤固定在保護工裝上，再將組裝好合適長度的垂直架梯固定于過渡盤上；旋轉過渡盤到合適的位置與固定回轉機構連接并固定后，操作人員就可沿垂直架梯下至操作平臺上。操作平臺結構為可展開的工作踏板，人員可以攜帶工具包站在其上，四周的護欄展開即為操作平臺。

分段式組合梯方案通過輕質型材連接實現(xiàn)可伸縮功能，機構中全部采用機械連接形式，操作過程簡化，可靠性高，但仍需要在起重機械配合下完成對組合梯的伸縮調整。

圖3 分段式組合梯結構示意圖Fig.3 Connection of segmented combination ladder

2.3 電機驅動方案

通過電機驅動升降平臺在密封艙內上、下移動，從而能夠讓操作人員在垂直方向上的操作范圍覆蓋整個艙段。具體實現(xiàn)形式有以下3種。

1）鋼絲、工作臺組合方案

如圖4所示，整個工裝由導向滑輪、鋼絲繩、驅動電機、工作平臺、可折疊踏板組成。其中工作平臺由4根鋼絲繩吊裝，而鋼絲繩通過導向滑輪組由一個電機驅動，通過滑輪組保證4根鋼絲繩的同步性。驅動電機及導向滑輪組通過轉接板連接在對接機構的保護工裝上，同時工作臺通過鉸鏈與可折疊踏板相連。進艙時可折疊踏板為豎直放置狀態(tài)，當?shù)竭_工作區(qū)域時將可折疊踏板向下 90°翻轉展開，并可靠搭接在儀器區(qū)側壁伸出的支撐限位器上，保證操作過程中工作平臺的穩(wěn)定性。

圖 4 鋼絲繩、工作平臺組合方案Fig.4 The combination scheme of the wive rope and the working platform

2）可伸縮導桿、工作臺組合方案

方案原理如圖5所示，整個工作平臺由驅動電機、導向滑輪、可伸縮導桿（一根）、鋼絲繩、可折疊踏板、工作臺、折疊鉸鏈、支架等幾部分組成。鋼絲繩通過可伸縮導桿與工作臺相連，而可伸縮導桿的末端與工作臺固連，鋼絲繩在電機的驅動下可實現(xiàn)上下運動，同時在自重的作用下可伸縮導桿也可上下運動，以實現(xiàn)人員的上升與下降。當?shù)竭_工作區(qū)域時，將可折疊踏板向下翻轉，使得人員可以在儀器區(qū)進行設備安裝操作，而電機與導向滑輪支架通過轉接板固定在對接機構的保護工裝上。

圖 5 可伸縮導桿、工作平臺組合方案Fig.5 A combination of scalable guide and working platform

3）固定導桿、工作臺組合方案

方案原理如圖6所示，整個工作平臺由驅動電機、導向滑輪、固定導桿（3根）、鋼絲繩、可折疊踏板、工作臺、折疊鉸鏈、支架幾部分組成。鋼絲繩一端與工作臺直接相連，固定導桿直接固連在對接機構的保護工裝上，通過工作臺上設置的3個滑動軸承穿過工作臺，可作為工作臺升降運動過程中的導向。鋼絲繩在電機的驅動及自重的作用下實現(xiàn)工作臺上下運動，當?shù)竭_工作區(qū)域時，將可折疊踏板向下翻便可進行安裝操作，而電機與導向滑輪支架通過轉接板固定在對接機構保護工裝上。

圖 6 固定導桿、工作平臺組合方案Fig.6 The combination of the fixed guide rods and the working platform

電機驅動方案自動化程度高，系統(tǒng)整體性好，可防止工作臺晃動；導向滑輪設置簡便，可折疊踏板無需借助儀器板進行支撐，也不需要依賴起重機械，但安裝調試較為繁瑣，在應對緊急狀態(tài)操作時，可靠性還不如機械裝置高。

3 影響因素的分析

3.1 艙外總裝平臺的分析

總裝平臺是航天器總裝過程中不可或缺的地面機械支持設備（MGSE）。在航天器總裝過程中，要安裝的產品結構之復雜，價格之昂貴，既要滿足操作人員對操作過程舒適度的要求，確保各個方位各個高度的定位以避免操作死角，同時還要考慮產品的對接、起吊、定位和轉運等。在總裝過程中，大多數(shù)操作都是在總裝平臺上完成，特別是大型密封艙的總裝工作。艙內、艙外的裝配大多情況下需要同步操作，因此，垂直進艙工裝不可能單獨完成所有的裝配工作，必須依附于艙外的總裝平臺，垂直進艙工裝是艙外總裝平臺在密封艙內的延伸和拓展，需要借助于艙外總裝平臺作為支持平臺。因此，合理的艙外平臺布局是垂直進艙工裝方案設計的基礎。

3.2 對密封艙體的影響分析

垂直進艙工裝除了借用艙外總裝平臺作為支撐外，還直接或者間接地需要借用密封艙結構為支撐點，因此，合理選擇艙體的承力點以及對密封艙受力影響的分析至關重要。包括垂直進艙工裝的支撐點及緊固點選擇、工裝和密封艙體間傳力路徑以及艙體和工裝一體化受力分析。由于垂直進艙工裝具有負載大、跨度長的特點，它的動態(tài)載荷會非常大，所以合理選擇傳力路徑就成為方案設計的關鍵。合理選擇傳力路徑（包含支撐及緊固點的確定）需考慮如下問題：垂直進艙工裝調整和固定工裝狀態(tài)下的最大包絡尺寸條件；操作方式、路徑以及帶來的動載，大型密封艙結構能夠提供的最大安裝能力以及最大局部強度與剛度能力。這些都構成對艙體影響分析的基本因素。

3.3 總裝環(huán)境適應性分析

根據航天器總裝集成的特點，對生產廠房的總裝環(huán)境要求和操作要求很嚴。如廠房的空氣潔凈度為10萬級，環(huán)境溫度為20±5 ℃，相對濕度為30%～60%；設有防靜電設施；由于航天器生產過程工藝復雜、技術狀態(tài)要求嚴格，因此在總裝生產過程中要嚴格控制多余物[4]；在組裝和拆卸垂直進艙工裝時盡量不使用額外的工具，防止產生螺釘螺母等小物件，即使是便于快速操作的定位銷和固定銷等，也必須采用防脫落保險裝置連接于工裝上，最大限度地防止產生多余物的風險；活動部件采用無屑、無油的干膜潤滑，嚴禁污染環(huán)境。

3.4 方案的安全性分析

眾所周知，航天產品具有高風險、高投入的特點，安全工作是一切工作的重中之重。為確保垂直進艙工裝不對大型密封艙帶來潛在的危害，必須評價垂直進艙方案的安全性。垂直進艙工裝的安全性分析要考慮進艙方案的安全性和艙內總裝的安全性兩個方面，前者強調進艙工裝本身的應用安全性，后者則偏重于操作者的安全分析。在安全設計中使用加嚴條件，例如提高垂直進艙工裝的強度剛度和抗沖擊載荷能力（動載荷系數(shù)加倍、提高安全系數(shù)裕度等）。在垂直進艙工裝使用前應進行靜態(tài)和加載轉動、起吊等操作試驗，設置苛刻的工況條件，進一步驗證其安全性。

4 結束語

垂直進艙工裝借助于艙外總裝平臺和起重機械較好地實現(xiàn)了操作人員進艙進行總裝操作。未來的載人航天發(fā)展，對密封艙內總裝將提出更高的要求，隨著垂直進艙工裝功能的不斷拓展，其應用也會更為廣泛，將成為航天器總裝過程中的典型平臺，并為減少艙體吊裝、翻轉等高風險作業(yè)，甚至為優(yōu)化總裝工藝流程提供選擇。

（References）

[1]士元.方興未艾的航天母艦[J].中國航天, 2001(6)： 20 Shi Yuan.Ascendant space carrier[J].China Aerospace,2001(6)： 20

[2]朱毅麟.國際空間站建造十年經驗初探[J].航天器工程, 2010, 19(1)： 52

Zhu Yilin.Lessons learned from ten·year construction of international space station[J].Spacecraft Engineering.2010, 19(1)： 52

[3]趙長喜, 李繼霞.航天器整體壁板結構制造技術[J].航天制造技術, 2006(4)： 44

Zhao Changxi, Li Jixia.Manufacturing technology of the overall wall structure of spacecraft[J].Aerospace Manufacturing Technology, 2006(4)： 44

[4]熊濤.航天器總裝多余物控制方法探討[J].航天器環(huán)境工程, 2006, 23(5)： 277

Xiong Tao.Discussion on remainder particle control method in spacecraft assembly[J].Spacecraft Environment Engineering, 2006, 23(5)： 277