崔曉杰，陸登柏，張正軍

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空間綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

崔曉杰，陸登柏，張正軍

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

為了滿足各種材料在空間進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的，設(shè)計(jì)了能在空間長(zhǎng)期工作的綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。文章詳細(xì)介紹了該裝置中的樣品提拉機(jī)構(gòu)、樣品夾具結(jié)構(gòu)和人機(jī)工效學(xué)的設(shè)計(jì)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論和方法的可行性和實(shí)用性；實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，實(shí)驗(yàn)樣品完整、無(wú)損傷。該裝置首次實(shí)現(xiàn)了多批次樣品的管理和更換功能以及在軌人工參與操作功能。

綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)；樣品提拉機(jī)構(gòu)；樣品夾具結(jié)構(gòu)；人機(jī)工效學(xué)；微重力；空間材料科學(xué)

0 引言

材料科學(xué)主要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、屬性和加工過(guò)程之間的關(guān)系。在地面上，這些關(guān)系受重力的強(qiáng)烈影響。而在空間微重力環(huán)境下，浮力對(duì)流、沉淀、流體靜力學(xué)壓力等因素的影響變得很弱甚至消失，并且材料容器對(duì)最終產(chǎn)品的污染和影響還可消除，這使得“無(wú)模過(guò)程”成為可能，由此空間材料科學(xué)成為一項(xiàng)非常重要的課題[1-3]。要推動(dòng)空間材料科學(xué)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，就必須不斷提高空間材料實(shí)驗(yàn)裝置的性能和技術(shù)水平，不斷優(yōu)化完善其功能。

國(guó)際空間站（ISS）是當(dāng)今世界上最大的載人航天器，代表了載人航天技術(shù)發(fā)展的綜合成就。在ISS的科學(xué)研究活動(dòng)中，美國(guó)航空航天局（NASA）的“命運(yùn)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙（Destiny）、歐空局（ESA）的“哥倫布”實(shí)驗(yàn)艙（Columbus），日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的“希望”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙（Libo）以及由俄羅斯空間局研制的POLIZON空間爐均安排了獨(dú)立的材料實(shí)驗(yàn)，借此開(kāi)展空間材料科學(xué)及相關(guān)交叉學(xué)科的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[4-5]。

我國(guó)從1987年開(kāi)始，陸續(xù)利用返回式衛(wèi)星、科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、載人飛船等進(jìn)行了多次空間材料實(shí)驗(yàn)。多工位晶體生長(zhǎng)爐是我國(guó)研制成功的第一臺(tái)采用閉環(huán)控制多樣品的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置。它在一次飛行試驗(yàn)中可以進(jìn)行6種以上材料的空間實(shí)驗(yàn)[4,6-7]?？傮w上我國(guó)以往的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置大多數(shù)是單一設(shè)備，所支持的科學(xué)研究類(lèi)型有限，不能進(jìn)行多工位多批次的綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

本文針對(duì)載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)“天宮二號(hào)”任務(wù)中的綜合材料實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，創(chuàng)建能在空間長(zhǎng)期工作的材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使其在軌飛行期間能滿足現(xiàn)階段半導(dǎo)體光電子材料、金屬合金及亞穩(wěn)材料、新型功能單晶、納米及復(fù)合材料等材料的空間制備實(shí)驗(yàn)需求，為制備高性能材料以及深入開(kāi)展材料機(jī)理研究提供技術(shù)支撐。以下介紹該裝置的設(shè)計(jì)原理及方法，并研究實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的工作性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置組成及工作原理

空間綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置需要滿足：多批次樣品的管理和更換；在軌人工參與操作；材料實(shí)驗(yàn)所需的真空環(huán)境。因此其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：1）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須平穩(wěn)、可靠，可準(zhǔn)確將6工位樣品送入加熱爐爐膛；2）樣品夾具必須可多次使用，夾具的夾持力必須保持在要求的范圍內(nèi)；3）裝置的人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)必須滿足在軌人工參與操作的要求。根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)的綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；2. 真空室開(kāi)蓋把手；3. 樣品夾具；4. 真空殼體；5. 實(shí)驗(yàn)樣品；6. 加熱爐；7. 真空室。

綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)樣品、樣品夾具、加熱爐、真空室以及開(kāi)蓋把手等組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品的轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)和提拉運(yùn)動(dòng)。樣品夾具夾持實(shí)驗(yàn)樣品，提供滿足要求的夾持力。加熱爐實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品的加熱。真空室提供實(shí)驗(yàn)所需的真空環(huán)境。本設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)在于利用最小空間容納最多樣品實(shí)驗(yàn)；機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，密封性能良好，航天員通過(guò)開(kāi)、合蓋操作可進(jìn)行多批次樣品實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 樣品提拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

空間綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由6工位轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和樣品提拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成。其中樣品提拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖2所示）由電機(jī)組件、磁傳動(dòng)組件、主動(dòng)齒輪、安裝板、從動(dòng)齒輪、提拉撥叉、絲杠及光杠等組成。該機(jī)構(gòu)的工作原理是：電機(jī)通過(guò)磁傳動(dòng)組件依次帶動(dòng)主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)提拉撥叉使實(shí)驗(yàn)樣品上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品在加熱爐中的插入和拔出功能[8]。

1. 電機(jī)組件；2. 磁傳動(dòng)組件；3. 主動(dòng)齒輪；4. 安裝板；5. 從動(dòng)齒輪；6. 提拉撥叉；7. 絲杠。

樣品提拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下兩個(gè)方面。

一是電機(jī)到齒輪傳動(dòng)之間增加了磁傳動(dòng)組件。該組件主要由主動(dòng)外磁轉(zhuǎn)子、從動(dòng)內(nèi)磁轉(zhuǎn)子及磁體外殼組成。磁性材料選用具有高剩磁、高矯頑力的高磁能積材料釤鈷[9]。磁體外殼材料選用耐腐蝕性強(qiáng)、承壓能力強(qiáng)的1Cr18Ni9Ti材質(zhì)。結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)按照?qǐng)A筒形磁力驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。磁傳動(dòng)組件在提供足夠轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的同時(shí)，主要具有減振作用。主、從動(dòng)磁轉(zhuǎn)子之間有一定間隙，當(dāng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)或電機(jī)振動(dòng)時(shí)可有效減小振動(dòng)，防止振動(dòng)傳遞到絲杠位置，保證提拉撥叉垂直提拉樣品，避免振動(dòng)造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)卡澀。

二是提拉撥叉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。提拉撥叉有提拉實(shí)驗(yàn)樣品，觸動(dòng)上、下微動(dòng)開(kāi)關(guān)，以及連接光杠、上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的作用。因此提拉撥叉設(shè)計(jì)為三齒結(jié)構(gòu)，將上述作用合為一體，以有效保證提拉行程的精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品夾具

實(shí)驗(yàn)樣品夾具用于裝置內(nèi)實(shí)驗(yàn)樣品的存放。其作用：一是夾持固定和減振，即在綜合科學(xué)材料實(shí)驗(yàn)裝置隨飛行器發(fā)射階段保證實(shí)驗(yàn)樣品的完整；二是在軌實(shí)驗(yàn)階段，人工操作時(shí)可滿足人機(jī)工效要求，即航天員可順利插、拔樣品。

實(shí)驗(yàn)樣品夾具（如圖3所示）主要由筒體、彈簧片和鉚釘組成。彈簧片固定于筒體之中，具有一定的彈力，利用其彈性抱緊實(shí)驗(yàn)樣品，防止力學(xué)沖擊振壞樣品封裝管。樣品夾具夾持力主要由彈簧片材料以及厚度決定。成形彈簧片如圖4所示。

1. 鉚釘；2. 彈簧片（鈹青銅片）；3. 實(shí)驗(yàn)樣品；4. 筒體

圖4 成形彈簧片示意

彈簧片厚度為

=4.712p/(EF)， (1)

式中：為成形半徑；p為許用應(yīng)力；為彈簧片材料的彈性模量；F為彈簧垂直方向變形。

實(shí)驗(yàn)樣品抱緊設(shè)計(jì)由6個(gè)成形彈簧片彈性變形來(lái)保證。則單個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品的提拉摩擦力為

=6=62p/(12)， (2)

式中：為實(shí)驗(yàn)樣品外罩與彈簧片靜摩擦因數(shù)。為工作載荷；為彈簧片寬度；

首先選定彈簧片材料，依據(jù)式(1)計(jì)算出彈簧片厚度，進(jìn)而核算出工作載荷，然后即可得出拔、插實(shí)驗(yàn)樣品所需的拉力和壓力。

2.3 人機(jī)工效

綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置是首次在軌人工參與操作，因此，合理安全的人機(jī)工效設(shè)計(jì)非常重要。

由于航天員需要打開(kāi)裝置進(jìn)行換樣操作，所以裝置材料必須安全無(wú)毒、無(wú)揮發(fā)。該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)主要使用2A12硬鋁、鈦合金制造；密封材料采用氟橡膠；與不銹鋼絲杠配合的螺母以及齒輪軸套選擇用空間自潤(rùn)滑復(fù)合材料，該材料相比于液體潤(rùn)滑材料不但無(wú)毒、無(wú)揮發(fā)，而且磨損低。試驗(yàn)樣品密封在安瓿內(nèi)，不存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，不會(huì)給航天員安全帶來(lái)隱患。

實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)是完整封閉的，操作過(guò)程中要求無(wú)多余物或活動(dòng)零件脫離裝置，以確保航天器和航天員的安全。具體設(shè)計(jì)包括：航天員對(duì)設(shè)備操作過(guò)程中，需要擰松的緊固件均設(shè)計(jì)為防松脫螺釘結(jié)構(gòu)，保證螺釘不會(huì)脫出；需要操作的閥門(mén)、開(kāi)關(guān)裝置開(kāi)啟后仍然連接在材料實(shí)驗(yàn)裝置上，保證不會(huì)脫出裝置。同時(shí)，對(duì)于航天員操作的緊固件、閥門(mén)、開(kāi)關(guān)等，應(yīng)確保其開(kāi)啟力和復(fù)位力在航天員可靠操作范圍內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置工作性能測(cè)試

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)理論的可行性和實(shí)用性，研制了如圖5所示的空間綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)，并對(duì)其工作性能進(jìn)行測(cè)試。

圖5 綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)

本文所選用的樣品夾具中彈簧片材料為鈹青銅，其成形半徑為1.5mm，厚度為0.12mm?！扒嚆~+鋼”摩擦副的摩擦因數(shù)為0.16。經(jīng)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)樣品摩擦阻力為12.28N，滿足航天員順利拔、插實(shí)驗(yàn)樣品的要求。

對(duì)綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)在力學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行人機(jī)工效實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)行正常，實(shí)驗(yàn)樣品完整、無(wú)損傷；由空間自潤(rùn)滑復(fù)合材料制造的與不銹鋼絲杠配合的螺母以及齒輪軸套可以保證絲杠及齒輪的平穩(wěn)運(yùn)行；裝置蓋體上的密封螺釘擰松后不脫出，螺釘銳邊經(jīng)過(guò)了倒圓角處理，可保證操作人員安全；閥門(mén)在開(kāi)啟及關(guān)閉操作過(guò)程中轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，操作空間大，閥門(mén)開(kāi)、關(guān)標(biāo)識(shí)清楚；裝置開(kāi)蓋過(guò)程中，蓋體把手光滑無(wú)尖角。蓋體設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)向定位裝置，最大角度轉(zhuǎn)至90°，不會(huì)對(duì)周?chē)O(shè)備造成損傷。爐蓋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)了自阻尼系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)力約為25N，可以使蓋體停留在航天員設(shè)定的任意位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于文中提出的設(shè)計(jì)理論和方法，設(shè)計(jì)了綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和實(shí)用性。該裝置首次實(shí)現(xiàn)了多批次樣品的管理和更換功能，以及在軌人工參與操作功能，并已在“天宮二號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙順利完成第2批次6個(gè)工位樣品的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可靠性高，重復(fù)性好，可保證實(shí)驗(yàn)樣品完整、無(wú)損傷，人工參與操作安全、有效。這為我國(guó)制備高性能空間材料以及載人空間站工程后續(xù)深入、長(zhǎng)期開(kāi)展空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)提供了良好技術(shù)基礎(chǔ)和有力保障。

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（編輯：許京媛）

Design and implementation of experimental device of comprehensive materials science for space research

CUI Xiaojie, LU Dengbai, ZHANG Zhengjun

(Lanzhou Institute of Space Technology Physics, Lanzhou 730000, China)

For the purpose of space science experiment of various materials, a device is designed to serve for the comprehensive materials science experiment, which can work in space for a long time. The design process of the sample lifting mechanism, the sample fixture structure and the ergonomics are presented in detail. Experimental results show the feasibility and the practicality of the design theory and method. The device works smoothly and reliably in the experiment, and the experimental samples are found to be intact and not damaged. The device realizes the management and replacement functions of the multi-batch samples, and the manual operation function on orbit for the first time.

comprehensive materials science experiment; design of experimental device; sample lifting mechanism; sample fixture structure; ergonomics; microgravity; space materials science

V524.7

A

1673-1379(2017)02-0162-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.009

2016-07-07；

2016-11-25

崔曉杰（1987—），男，碩士學(xué)位，主要從事空間機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)研究。E-mail: cuixiaojie2000@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544