冷育龍

摘要：伴隨著航天科技的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的航天器和無(wú)法提供補(bǔ)給能力的空間站早已不能滿足現(xiàn)代化航天活動(dòng)的實(shí)際需要，甚至在發(fā)展的過(guò)程中形成了嚴(yán)重阻礙。目前，空間機(jī)械臂憑借著優(yōu)良的性能及安全可靠的特性受到了廣泛關(guān)注，成功的躋身于太空活動(dòng)中，作為一種在軌支持、服務(wù)的關(guān)鍵性技術(shù)備受多國(guó)科研人員的重視?？臻g機(jī)械臂屬于一種艙外活動(dòng)的設(shè)備，因此關(guān)節(jié)所處的環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，需要采用先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的熱設(shè)計(jì)，從而更好的維護(hù)安全可靠運(yùn)行過(guò)程。本文將分析空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場(chǎng)數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合具體的數(shù)據(jù)分析，各種因素對(duì)關(guān)節(jié)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：空間機(jī)械臂；輻射熱流；隔熱組件；仿真技術(shù)

航天事業(yè)的發(fā)展推動(dòng)著工程持續(xù)進(jìn)步，傳統(tǒng)的空間站已經(jīng)無(wú)法滿足時(shí)代的變遷需求，無(wú)論是在應(yīng)用還是研究上都存在著或多或少的弊端?？臻g機(jī)械臂擁有可靠安全性，對(duì)在軌支持和服務(wù)上都能更好的適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要，因此逐漸進(jìn)入到太空領(lǐng)域，并且受到了眾多科研人員的關(guān)注。經(jīng)過(guò)具體的實(shí)踐，空間機(jī)械臂能夠更好的適用于艙外活動(dòng)，并且擁有廣闊的發(fā)展前景，對(duì)于未來(lái)的空間科學(xué)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。

一、空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的基本概述

空間機(jī)械臂主要是通過(guò)關(guān)節(jié)、末端作用器及臂桿、控制器共同構(gòu)成。在這些構(gòu)成部分中，最為關(guān)鍵的關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)動(dòng)軸、減速器及箱體等組件產(chǎn)生共同作用的部分?？臻g機(jī)械臂關(guān)節(jié)的內(nèi)部存在著十分復(fù)雜的減速器結(jié)構(gòu)，這種減速器的結(jié)構(gòu)主要是活齒減速器，為了更好的方便輸入、輸出軸都呈現(xiàn)出多級(jí)階梯軸的樣式。為了有效的減輕重載，輸入軸通常是實(shí)心結(jié)構(gòu)，而輸出軸則多為空心軸結(jié)構(gòu)。此次研究的過(guò)程中，涉及到的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場(chǎng)數(shù)值，主要是由于機(jī)械臂關(guān)節(jié)內(nèi)部的活齒減速器呈現(xiàn)出強(qiáng)大的承載能力，并且擁有極高的準(zhǔn)確度，可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的工作，這種活齒減速器還可以在小型設(shè)備上實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，所以結(jié)合限制的空間機(jī)械臂的空間運(yùn)動(dòng)范圍，加之輸出力矩較大，必須保證擁有較高的控制精度，同時(shí)還需要準(zhǔn)確的溫度精度，從而對(duì)關(guān)節(jié)的在軌溫度場(chǎng)數(shù)值提出了更高的要求。

二、空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場(chǎng)數(shù)值熱分析計(jì)算

航天器的熱分析計(jì)算可以從三個(gè)方面進(jìn)行，例如軌道計(jì)算、外熱流計(jì)算及溫度場(chǎng)計(jì)算。航天器的熱計(jì)算最重要的目的就是在驗(yàn)證相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)定輸入條件下，保證所有的設(shè)備具體的溫度都能在實(shí)際的溫控指標(biāo)范圍之內(nèi)。輸入的條件涵蓋了計(jì)算的具體依據(jù)，同時(shí)還有相關(guān)的熱環(huán)境約束條件，其中涉及到的布局、外形構(gòu)造、軌道參數(shù)及姿態(tài)等內(nèi)容。

航天器中典型的熱分析計(jì)算流程框圖，是經(jīng)過(guò)具體的三個(gè)過(guò)程才建立起來(lái)的。首先是根據(jù)物理模型和相關(guān)的假設(shè)條件，以此構(gòu)造出實(shí)際的熱網(wǎng)絡(luò)模型，另外，就是根據(jù)具體的運(yùn)行軌道條件，和相關(guān)的姿態(tài)穩(wěn)定情況、熱控狀態(tài)及航天器適用的熱物理性質(zhì)等多種參數(shù)，完成空間熱流的計(jì)算和具體的熱分析計(jì)算，以此獲取到相應(yīng)的熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型。最后一個(gè)階段就是利用飛行遙感數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型加以修正，確保更好的彰顯在軌溫度產(chǎn)生的變化。

航天器軌道計(jì)算的具體理論基礎(chǔ)主要是依靠著軌道力學(xué)，這是一門非常新穎的應(yīng)用理論學(xué)科，在天體力學(xué)最原始的基礎(chǔ)上通過(guò)航天科學(xué)技術(shù)和相關(guān)的技術(shù)發(fā)展需要由此產(chǎn)生，因此涉及到的內(nèi)容十分廣泛，涵蓋了多方面的學(xué)科內(nèi)涵。在航天器熱控制領(lǐng)域，無(wú)需全方位、全面系統(tǒng)的進(jìn)行闡述有關(guān)軌道設(shè)計(jì)計(jì)算方面的知識(shí)內(nèi)容。

三、空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場(chǎng)數(shù)值仿真分析

空間機(jī)械臂由于工作環(huán)境的特殊性，需要充分考慮多種因素，準(zhǔn)確分析在軌溫度場(chǎng)數(shù)值?？臻g機(jī)械臂的工作環(huán)境就是空間軌道，所以需要加強(qiáng)對(duì)軌道環(huán)境的數(shù)值分析，并且采用仿真技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真，還應(yīng)該對(duì)不同的工作狀況進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑谲墱囟葓?chǎng)仿真，全面了解機(jī)械臂關(guān)節(jié)瞬間的狀態(tài)溫度變化。結(jié)合相應(yīng)的情況，對(duì)低溫工況和高溫工況進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真，由此來(lái)提供關(guān)節(jié)的安全保障。

（一）關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)組成及相應(yīng)的溫控指標(biāo)

此次研究的過(guò)程中，涉及到幾種幾何模型，主要包括活齒減速器、箱體及隔熱層。減速器的材料主要是45號(hào)鋼，因此最大的直徑達(dá)到了224毫米，長(zhǎng)度為375毫米，相關(guān)的輸入軸直徑是45毫米，輸出軸的直徑則是80毫米，箱體的實(shí)際厚度為50毫米。結(jié)合目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)分析，真實(shí)活齒減速器屬于一種外形比較復(fù)雜，同時(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程也十分復(fù)雜的幾何體，在進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬時(shí)計(jì)算比較困難。為此，需要對(duì)減速器和箱體的結(jié)構(gòu)加以適當(dāng)簡(jiǎn)化，避免因?yàn)檫^(guò)程不當(dāng)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)無(wú)法求解。

（二）熱控材料的確定

多層隔熱材料是在軌設(shè)備最需要的原始材料，因此在表征多層隔熱組件的方式多種多樣，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)、涂層發(fā)射率、吸收率等都是其中最關(guān)鍵的參數(shù)。為了更加細(xì)致的選擇多層隔熱組件和相應(yīng)的隔熱材料，需要對(duì)相關(guān)的參數(shù)影響進(jìn)行適當(dāng)分析，由此總結(jié)出隔熱組件的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)空間熱流產(chǎn)生了重要影響。在對(duì)熱控材料進(jìn)行確定的過(guò)程中，還應(yīng)該明確隔熱層厚度的影響，為了保證空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)隔熱層的必要性和相應(yīng)的厚度選擇更加合適，應(yīng)該先計(jì)算出無(wú)隔熱層厚度之下的關(guān)節(jié)溫度場(chǎng)狀況，之后計(jì)算出在不同厚度之下的溫度場(chǎng)結(jié)果。

（三）在軌瞬態(tài)分析

空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)在軌瞬態(tài)分析是熱設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容，瞬態(tài)分析的過(guò)程和相關(guān)的軌道參數(shù)能夠呈現(xiàn)出具體的狀況。在軌運(yùn)行的過(guò)程包含著低溫工況及高溫工況兩方面。低溫工況主要是機(jī)械臂整體不參與工作，所以關(guān)節(jié)只受到了空間外流的影響。高溫工況則具體是指機(jī)械臂全負(fù)荷工作，從而關(guān)節(jié)除了要接受空間外熱流的影響下，還會(huì)受到內(nèi)部的全負(fù)荷熱流影響，并且整個(gè)過(guò)程，低溫工況下的太陽(yáng)及軌道之間的夾角呈現(xiàn)出的日期是全年最小，在高溫工況下的太陽(yáng)和軌道夾角所呈現(xiàn)的日期則是全年最大。

結(jié)語(yǔ)

由于空間機(jī)械臂時(shí)常用于艙外活動(dòng)，因此面臨著較為復(fù)雜的環(huán)境，所以需要采取更加準(zhǔn)確的熱設(shè)計(jì)，確保提供更加安全可靠地技術(shù)支持?？臻g機(jī)械臂的功能相當(dāng)于人類的手臂，所以其關(guān)節(jié)是維持靈活運(yùn)動(dòng)及可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，并且能夠?yàn)榫_抓取目標(biāo)物體提供保障作用?？臻g機(jī)械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場(chǎng)數(shù)值仿真分析的過(guò)程涉及到多個(gè)方面，為了更好的實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的使用價(jià)值，應(yīng)該積極的分析各個(gè)方面的影響要素。