李 濤,楊 雷,于文澤,王 為,李 偉

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京100094)

1 引言

為探索太空甚至在地球以外的星球生存,需要艙外活動(dòng)裝備為航天員提供生存的環(huán)境,同時(shí)提高艙外活動(dòng)能力,以滿足復(fù)雜的在軌維修維護(hù)、加工制造和組裝建造等任務(wù)需求[1-2]。目前國內(nèi)外已有的艙外活動(dòng)裝備包括艙外航天服、氣閘艙、載人機(jī)動(dòng)裝置和單人飛行器等[3]。艙外航天服內(nèi)部為30～40 kPa的低壓純氧環(huán)境,航天員出艙需要執(zhí)行氧濃度預(yù)控、氣閘艙泄復(fù)壓和吸氧排氮等操作,出艙準(zhǔn)備時(shí)間超過3 h,造成空氣資源損失和艙外有效活動(dòng)時(shí)間減少。為克服內(nèi)外壓差阻力,航天員手、膝蓋等部位與航天服擠壓,接觸位置易造成外傷、發(fā)炎等病痛,影響航天員健康。航天服內(nèi)外壓差導(dǎo)致航天員容易疲勞,一名航天員需1～2天恢復(fù)機(jī)能,導(dǎo)致復(fù)雜艙外任務(wù)只能分解為多次出艙,降低了艙外活動(dòng)效率[4]。Griffin[5]提出了一種載人自主工作站MAWS設(shè)想,飛行器在密封艙外配置了3套機(jī)械臂,航天員可以利用其中2套機(jī)械臂爬行,利用推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行無重力環(huán)境飛行。David等[6]提出了一種空間組裝和在軌設(shè)施轉(zhuǎn)移飛行器SCOUT概念設(shè)計(jì),飛行器配置3套機(jī)械臂、1雙航天服手套和1個(gè)球面形觀察艙,飛行器質(zhì)量超過2 t,航天員通過與航天服相同的觀察窗進(jìn)行操作。NASA格倫研究中心提出了一種在軌維修、服務(wù)和探測(cè)的單人飛行器Flex-Craft概念,該飛行器配置推進(jìn)器和3套相同的靈巧臂,可爬行和維修維護(hù),靈巧臂操作能力較強(qiáng)[4]。Griffin等[7]在FlexCraft基礎(chǔ)上改進(jìn),設(shè)計(jì)了SPS單人飛行器,該飛行器配置了推進(jìn)系統(tǒng)和2套機(jī)械臂,依靠航天服MMU推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng),航天員在艙內(nèi)控制機(jī)械臂進(jìn)行艙外操作。

為克服艙外航天服內(nèi)外壓差和純氧環(huán)境給出艙活動(dòng)效率、安全帶來的不利影響,微型載人操作飛行器成為研究熱點(diǎn)。針對(duì)未來空間站和載人深空探測(cè)中設(shè)施建造、在軌加工、原位資源探測(cè)和利用等復(fù)雜操作任務(wù)需求,本文提出一種微型載人操 作 艙 (MiniOperating Manned Spacecraft,MOMS)總體方案,航天員可直接從空間站等母體航天器進(jìn)入操作艙,在機(jī)械臂等輔助設(shè)施支持下快速到達(dá)工作點(diǎn),執(zhí)行抵近觀察和復(fù)雜操作任務(wù)。

2 需求分析

2.1 功能分析

1)提高時(shí)間和氣體資源利用率。艙外航天服內(nèi)部為30～40 kPa的低壓純氧環(huán)境[8],為避免減壓病,航天員出艙需要執(zhí)行氧濃度預(yù)控、泄壓、大流量沖洗、吸氧排氮等操作,從準(zhǔn)備出艙到完成過氣閘艙,需要2～3 h,泄壓操作需要向艙外排出約25 kPa的空氣,導(dǎo)致空氣資源損失,如圖1所示。艙外航天服攜帶的氧氣等資源支持航天員工作7～8 h,去除出艙和返回消耗的2～4 h,實(shí)際艙外作業(yè)時(shí)間只有3～5 h,因此需要提高出艙活動(dòng)時(shí)間和資源利用率。

2)降低艙外操作對(duì)身體造成損傷。艙外操作需使出較大力氣克服航天服內(nèi)外壓差和失重影響,長時(shí)間多次出艙,造成身體與航天服接觸位置損傷,其中手、膝蓋、腳趾損傷最多,如圖2所示,身體疼痛會(huì)分散注意力,降低艙外操作效率,因此需要降低艙外活動(dòng)對(duì)身體的損傷。

圖1 出艙過程操作Fig.1 Extravehicular activity process

圖2 艙外操作損傷Fig.2 Injuries to the human by EVA

3)提高連續(xù)執(zhí)行艙外活動(dòng)的任務(wù)時(shí)間。穿著艙外航天服活動(dòng)時(shí),航天員需克服30～40 kPa的內(nèi)外壓差,容易疲勞,為恢復(fù)身體機(jī)能,航天員需要間隔1～2天才能再次出艙。因此復(fù)雜艙外任務(wù)只能分解為多次出艙,這又增加了出艙準(zhǔn)備絕對(duì)時(shí)間,降低了艙外活動(dòng)有效時(shí)間比例,無法滿足太空基地建造、原位資源勘探等復(fù)雜艙外任務(wù)。因此在提高艙外連續(xù)活動(dòng)時(shí)間的同時(shí),需提供舒適的操作環(huán)境。

4)提高微流星碎片和輻射防護(hù)效果。艙外活動(dòng)存在微流星和碎片威脅,艙外航天服由多層織物組成,微流星和碎片防護(hù)效果不足。因此面向未來高軌維修維護(hù)、載人深空等任務(wù),遠(yuǎn)離地球磁場(chǎng)保護(hù)和地球補(bǔ)給,需要輻射防護(hù)效果更好的艙外服務(wù)裝備。

由此可見,針對(duì)目前艙外服務(wù)裝備的不足,有必要研究更為安全、可靠和舒適的艙外操作服務(wù)裝備。為克服目前艙外活動(dòng)裝備內(nèi)部低壓純氧氣環(huán)境、外部為軟質(zhì)織物帶來的問題,需要研制一種剛體結(jié)構(gòu)的微型載人飛行器,其需要具備如下功能：

1)結(jié)構(gòu)。提供1個(gè)大氣壓密封環(huán)境,為設(shè)備提供安裝支撐功能,對(duì)微流星、空間碎片等進(jìn)行防護(hù),平時(shí)停泊在母體航天器上。

2)能源。為艙外轉(zhuǎn)移和操作期間設(shè)備提供電能,具備空間機(jī)械臂和蓄電池冗余供電功能。

3)信息。提供微型艙與母體航天器遙測(cè)遙控、話音、圖像、微型艙機(jī)械臂控制功能。

4)環(huán)控生保。提供密封艙總壓、氧分壓和CO2分壓控制功能,具備溫濕度控制和應(yīng)急補(bǔ)氣功能。

5)熱控。提供密封艙熱控功能,可收集微型載人操作艙內(nèi)航天員和設(shè)備散熱,并向艙外散熱,將溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

6)操作控制。支持靈巧臂,支持空間機(jī)械臂輔助轉(zhuǎn)移。

2.2 技術(shù)指標(biāo)分析

與國內(nèi)外已有艙外活動(dòng)裝備相比,微型載人操作艙需要提供更長的任務(wù)時(shí)間和結(jié)構(gòu)安全性,通過微型載人操作艙功能分析,結(jié)合國內(nèi)外調(diào)研分析,總體技術(shù)指標(biāo)如下：

1)操作艙總重量需＜900 kg；

2)操作人員1人；

3)目前艙外航天服支持航天員工作7～8 h,為提高連續(xù)艙外活動(dòng)時(shí)間,支持艙外操作時(shí)間需≥12 h,同時(shí)具備擴(kuò)展能力；

4)支持機(jī)械臂輔助轉(zhuǎn)移。

3 總體設(shè)計(jì)

微型載人操作艙需要為航天員出艙活動(dòng)提供必要的生存環(huán)境,因此操作艙必須提供密封環(huán)境、環(huán)境控制與生命保障、能源、通信和照明。為完成艙外操作任務(wù),微型載人操作艙需要提供航天員操作視野觀察窗以及操作工具。艙外航天服手套存在易損、不靈活等缺點(diǎn),因此可配置靈巧臂和適當(dāng)?shù)墓ぞ?靈巧臂可根據(jù)艙外任務(wù)進(jìn)行專門設(shè)計(jì),為支持設(shè)備和工具的傳遞等操作,需提供2套靈巧機(jī)械臂。在失重環(huán)境下操作,需要提供助力裝置,要配置1套支撐臂。因此微型載人操作艙設(shè)計(jì)由密封艙、觀察穹頂、2套靈巧臂、1套支撐臂、1個(gè)空間機(jī)械臂適配器、1套對(duì)接機(jī)構(gòu)、照明燈、攝像機(jī)和通信系統(tǒng)等組成,密封艙內(nèi)配置環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng),總體構(gòu)型如圖3所示。

圖3 微型載人操作艙總體設(shè)計(jì)Fig.3 Major elements of mini operating manned spacecraft

3.1 結(jié)構(gòu)

微型載人操作艙適用的航天員身高為160～172 cm、坐高為86.5～97.1 cm、體重為55～70 kg。微型載人操作艙結(jié)構(gòu)主要包括4個(gè)部分：密封艙、穹頂組件、設(shè)備安全支架和防護(hù)結(jié)構(gòu)。密封艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮失重環(huán)境下航天員上肢操作空間和中性體位[9]。由于失重環(huán)境航天員視椎體中心線下降14.7°[10],因此觀察穹頂下降15°。結(jié)合機(jī)械臂操作臺(tái)和其他設(shè)備布局,微型載人操作艙穹頂外徑設(shè)計(jì)為1.4 m,觀察穹頂采用聚碳酸酯材料,透光性和抗力學(xué)性能良好。過渡段和通道均采用鋁,如圖4所示。

圖4 密封艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 Structure of pressured cabin

穹頂組件覆蓋在觀察穹頂上,保護(hù)觀察窗,為攝像機(jī)、WiFi、照明燈等艙外設(shè)備提供安裝支撐,為艙外設(shè)備電纜安裝和布局提供空間。穹頂組件內(nèi)含可旋轉(zhuǎn)的面罩,當(dāng)微型載人操作艙停泊空間站期間,可將面罩旋轉(zhuǎn)下來,完全關(guān)閉觀察窗；當(dāng)乘員進(jìn)入密封艙后,可通過按鈕開啟面罩,用于觀察,如圖5所示。

圖5 觀察窗穹頂組件Fig.5 View window assembly

設(shè)備安裝支架為艙內(nèi)與艙外設(shè)備安裝、線纜固定、輔助設(shè)施存放等提供結(jié)構(gòu)支撐。安裝支架一共4塊,均勻安裝在密封艙通道外側(cè),為減輕重量,支架均為鏤空設(shè)計(jì),如圖6所示。

圖6 設(shè)備安裝支架Fig.6 Equipment fixing bracket

防護(hù)結(jié)構(gòu)為微型載人操作艙提供微流星/空間碎片防護(hù),采用Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)[11],如圖7所示。

圖7 Whipple碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.7 Whipple debris shield structure

3.2 能源系統(tǒng)

為提高微型載人操作艙的安全性和可靠性,能源系統(tǒng)采用蓄電池供電和空間機(jī)械臂供電冗余手段。微型載人操作艙停泊期間,母體航天器對(duì)蓄電池組充電；執(zhí)行艙外操作任務(wù)期間,空間機(jī)械臂供電,蓄電池備份。

配電系統(tǒng)設(shè)置100 V雙母線,通過選通開關(guān)形成2個(gè)相互隔離的配電母線,2個(gè)母線獨(dú)立控制,提高了供電可靠性。每條母線采用100 V高壓分散配電體制,形成二級(jí)樹形獨(dú)立配電體系,其中母線控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)電源功率通道的切換、隔離選通,配電通道將電能分配到功率控制單元,功率控制單元按照不同功率等級(jí)分配到各個(gè)負(fù)載；單機(jī)內(nèi)設(shè)置厚膜DC/DC實(shí)現(xiàn)電能的變換和應(yīng)用,功率控制單元配送100 V和28 V電源,如圖8所示。

圖8 能源系統(tǒng)Fig.8 Electrical power system

3.3 信息系統(tǒng)

微型載人操作艙信息系統(tǒng)包括測(cè)控系統(tǒng)、系統(tǒng)網(wǎng)及通信網(wǎng),如圖9所示。

圖9 測(cè)控通信系統(tǒng)Fig.9 TT&C and communication system

1)測(cè)控系統(tǒng)。在母體航天器寬波中繼器支持下完成微型艙與母體航天器的遙測(cè)遙控和低速話音與圖像傳輸。

2)系統(tǒng)網(wǎng)。依托分層的1553B總線及掛接于各層總線的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)微型載人操作艙設(shè)備和機(jī)械臂的遙測(cè)、指令以及工作模式控制。系統(tǒng)網(wǎng)由核心操作單元作為數(shù)據(jù)處理中心,采用分級(jí)總線和綜合電子實(shí)現(xiàn)設(shè)備指令、遙測(cè)、儀表顯示等數(shù)據(jù)管理,并與通信系統(tǒng)互連。

3)通信網(wǎng)。依托千兆以太網(wǎng)和接入交換機(jī)組成高速通信網(wǎng)絡(luò),依托無線WiFi接入AP設(shè)備實(shí)現(xiàn)高速圖像、話音、儀表顯示、移動(dòng)信息服務(wù)。

3.4 環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)

3.4.1 總壓控制

總壓調(diào)控通過總壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),如圖10所示。系統(tǒng)由2個(gè)氣瓶組件、供氣軟管、1個(gè)氣源控制組件、1個(gè)座艙供氣組件組成。氣源采用可移動(dòng)式高壓氣瓶,氣瓶組件由氣瓶、充氣閥、氣瓶壓力傳感器、截止閥、減壓器組成一體式結(jié)構(gòu)。減壓器出口采用快接接頭和供氣軟管管路連接。氣源公稱工作壓力30 MPa,容積10 L,減壓壓力0.6～0.8 MPa。氣體為70%氮?dú)夂?0%的氧氣混合氣體組成。

圖10 總壓控制系統(tǒng)Fig.10 Total pressure control system

為提高可靠性,氣源控制組件設(shè)計(jì)2條支路,同時(shí)連接2個(gè)氣瓶組件。每條支路設(shè)計(jì)減壓壓力傳感器、放氣閥和單向閥,2支路匯合后,在下游設(shè)置安全閥和截止閥。氣瓶組件和氣源控制組件之間管路設(shè)計(jì)為軟管,端接口采用成熟載人航天器快接接頭,易于航天員拆卸、更換氣瓶組件。供氣軟管中設(shè)置過濾器,保護(hù)下游設(shè)備。座艙供氣組件是開關(guān)控制部件,主要由4個(gè)電動(dòng)控制的供氣自鎖閥串、并聯(lián)組成,出口設(shè)置供氣信號(hào)器,輸出供氣開關(guān)信號(hào)。

3.4.2 氧分壓控制

氧分壓控制通過非再生式氧分壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。非再生式氧分壓控制系統(tǒng)由高壓氧瓶組件、氧源控制組件、座艙供氣組件組成。設(shè)備組成與工作原理同總壓控制系統(tǒng)一致。

氧分壓控制系統(tǒng)配置2個(gè)高壓氧瓶,每只氧瓶公稱工作壓力30 MPa,氣瓶容積2 L,減壓壓力0.6～0.8 MPa,氧氣量除滿足工作時(shí)間需求外,還需兼顧應(yīng)急供氧需求。氧氣輸送管路將氧氣排入通風(fēng)系統(tǒng)管路,通過通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)流實(shí)現(xiàn)密封艙內(nèi)氧濃度均勻。

3.4.3 CO2分壓控制

CO2分壓控制通過非再生式CO2凈化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),在通風(fēng)系統(tǒng)的配合下,實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2濃度場(chǎng)及水蒸氣濃度場(chǎng)的控制。

CO2凈化系統(tǒng)配置1個(gè)CO2凈化風(fēng)機(jī)、1個(gè)過濾器、2套凈化回路,每條回路配置1個(gè)CO2凈化罐,單個(gè)凈化罐凈化能力為1 kg,組件總重1.7 kg。非再生CO2凈化系統(tǒng)繼承載人航天器成熟技術(shù)和產(chǎn)品,如圖11所示。

圖11 CO2分壓控制系統(tǒng)Fig.11 CO2partial pressure control system

3.5 熱控系統(tǒng)

微型載人操作艙熱控系統(tǒng)以主動(dòng)控溫為主、被動(dòng)控溫為輔。被動(dòng)控溫措施包括在微型艙外包覆多層隔熱介質(zhì),在密封艙內(nèi)側(cè)包覆熱控泡沫,隔絕外空間對(duì)密封艙內(nèi)熱環(huán)境的影響。主動(dòng)熱控系統(tǒng)包括冷干組件、換熱器和水膜蒸發(fā)散熱器。設(shè)備和航天員產(chǎn)熱由通風(fēng)系統(tǒng)收集,通過換熱器進(jìn)行熱交換,并將熱量通過蒸發(fā)少量水分進(jìn)行真空排散,如圖12所示。

圖12 熱控系統(tǒng)Fig.12 Thermal control system

3.6 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)主要配置2套靈巧臂和1套支撐臂及其操作臺(tái),如圖13所示。靈巧臂安裝于密封艙過渡段,支撐臂安裝于密封艙通道上,均位于乘員正前方,3套機(jī)械臂共用1個(gè)操作臺(tái),操作臺(tái)設(shè)計(jì)2套操作手柄,可支持2套靈巧臂同時(shí)操作。

圖13 操作系統(tǒng)Fig.13 Operating system

4 可行性分析

4.1 重量分析

按照微型載人操作艙的各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及我國載人航天器已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)備配套總共47臺(tái),如圖14所示。

圖14 微型載人操作艙設(shè)備配套清單Fig.14 Equipment list of MOMS

根據(jù)成熟載人航天器產(chǎn)品類推微型載人操作艙產(chǎn)品重量,整艙總重880 kg,如表1所示,小于900 kg,滿足指標(biāo)要求。

表1 MOMS重量分析Table 1 Weight analysis of MOMS

4.2 氧分壓控制

為保證氧分壓大于21 kPa,氧瓶供氧量需大于航天員氧氣消耗量,航天員在軌氧氣消耗量計(jì)算公式如式(1)所示。

式中,QO2為氧氣消耗量,kg；vO2為航天員在軌氧氣代謝消耗速率,L/h；T為出艙活動(dòng)時(shí)間,h；MOL為摩爾常數(shù),取22.4 L/mol；M為氧氣摩爾質(zhì)量,取32 g/mol；a為安全系數(shù)。根據(jù)航天員在軌平均代謝速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如表2所示,按輕度活動(dòng)計(jì)算,航天員在軌代謝參數(shù)為26.4 L/h,考慮氣瓶排放效率和安全余量,取安全系數(shù)為1.5。根據(jù)冗余備份和2倍裕度設(shè)計(jì)原則,按照滿足1人24 h的氧氣量進(jìn)行設(shè)計(jì),則氧氣需求量為1.35 kg。微型載人操作艙配置氧氣瓶2只,每只儲(chǔ)氧量為0.8 kg,滿足1人12 h操作需求。

表2 航天員在軌代謝速率[12]Table 2 Astronaut on-orbit metabolism data[12]

4.3 CO2分壓控制

為保證CO2在規(guī)定范圍內(nèi),CO2排出量需小于凈化罐凈化能力,航天員在軌CO2排出量計(jì)算公式如式(2)所示。

其中,QCO2為氧氣消耗量,kg；vCO2為航天員在軌氧氣代謝消耗速率,L/h；T為出艙活動(dòng)時(shí)間,h；MOL為摩爾常數(shù),取22.4 L/mol；MCO2為氧氣摩爾質(zhì)量,取44 g/mol；a為安全系數(shù)。按照航天員輕度活動(dòng)計(jì)算,正常乘員CO2排除率22.8 L/h。按照滿足1人24 h的CO2凈化需求進(jìn)行設(shè)計(jì),安全系數(shù)1.5,則凈化CO2總量為1.6 kg。沿用成熟載人航天器CO2凈化罐設(shè)計(jì),單個(gè)凈化罐凈化能力為 1 kg,配置 2個(gè)凈化罐,CO2凈化總量為2 kg,滿足指標(biāo)要求。

4.4 對(duì)比分析

對(duì)艙外航天服、FlexCraft單人飛行器和本文設(shè)計(jì)的MOMS微型載人操作艙對(duì)比分析,結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?與艙外航天服相比,MOMS出艙活動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間更短,任務(wù)時(shí)間更長,無需吸氧排氮和泄復(fù)壓,防護(hù)能力更強(qiáng)；與FlexCraft相比,MOMS重量小,可利用空間機(jī)械臂和自身靈巧臂轉(zhuǎn)移,同時(shí)可利用空間機(jī)械臂傳輸能源,安全性更高。

表3 艙外操作設(shè)備對(duì)比分析Table 3 Comparison and analysis of EVA

5 結(jié)論

1)針對(duì)載人深空探測(cè)中太空基地建造、設(shè)備在軌加工、原位資源利用等復(fù)雜操作需求,提出的微型載人操作艙總體方案滿足指標(biāo)要求、方案合理可行。

2)微型載人操作艙平時(shí)停泊于空間站等母體航天器的對(duì)接口,密封艙內(nèi)為1個(gè)大氣環(huán)境,出艙活動(dòng)時(shí)無需航天員吸氧排氮,無需泄復(fù)壓,航天員直接從母體航天器進(jìn)入操作艙。關(guān)閉艙門后在空間機(jī)械臂等輔助設(shè)施支持下直接進(jìn)行轉(zhuǎn)移,執(zhí)行抵近觀察和復(fù)雜操作任務(wù),提高了出艙活動(dòng)效率,降低了氣體資源排散。

3)微型載人操作艙總重量＜900 kg,可容納操作人員1人,艙外操作時(shí)間≥12 h,支持艙外服手套和靈巧臂等操作接口,適用于未來人類進(jìn)行復(fù)雜的空間設(shè)施建造、資源開發(fā)利用和空間站擴(kuò)展應(yīng)用相關(guān)任務(wù)。