李傳政 劉 波 董吉洪 張堯禹

一種航天維護(hù)艙門的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李傳政 劉 波 董吉洪 張堯禹

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

針對航天器設(shè)備在軌維護(hù)的需求，并考慮航天發(fā)射時(shí)的力學(xué)性能要求，設(shè)計(jì)了一套航天維護(hù)艙門并試驗(yàn)驗(yàn)證。艙門的外形為弧形，采用加筋壁板結(jié)構(gòu)。8個(gè)錐銷、錐套分別安裝在艙門與艙體上，鎖緊螺釘將錐銷、錐套連接緊固，并防止鎖緊螺釘?shù)拿撀鋪G失。艙門與艙體還通過兩個(gè)鉸鏈相連，鉸鏈為雙連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)。艙門試驗(yàn)時(shí)，搭建了工裝試驗(yàn)架以模擬艙門失重狀態(tài)下的操作性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，錐銷、錐套連接可靠牢固，鎖緊螺釘具有較好的防脫落性能，雙桿鉸鏈有利于艙門的打開和關(guān)閉，艙門操作順暢便捷，滿足使用需求。

在軌維護(hù)；艙門；錐銷錐套；鎖緊螺釘；鉸鏈

1 引言

隨著載人航天工程及空間站技術(shù)的發(fā)展，空間在軌維護(hù)技術(shù)逐漸成熟，并應(yīng)用在越來越多的大型航天器上[1]。著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，通過5次在軌維修、更換相關(guān)設(shè)備，不僅提高了望遠(yuǎn)鏡的性能，還大大延長了使用壽命[2]。為了滿足設(shè)備在軌維護(hù)的需求，航天器上需要設(shè)置相應(yīng)的維護(hù)艙門，航天員可以打開和關(guān)閉維護(hù)艙門維修更換設(shè)備[3]。維護(hù)艙門既要滿足航天器發(fā)射時(shí)大過載、強(qiáng)振動(dòng)等惡劣環(huán)境下的力學(xué)性能要求，又要保證在太空中航天員打開、關(guān)閉艙門操作的簡易方便性。傳統(tǒng)的載人航天器艙門連接機(jī)構(gòu)雖然可靠性高、承力性好，但機(jī)構(gòu)系統(tǒng)過于復(fù)雜，占用質(zhì)量和空間較大，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力[4，5]；普通的螺釘連接雖然簡便，但為了滿足發(fā)射時(shí)的力學(xué)性能要求，在維護(hù)艙門上需要布置的螺釘數(shù)量過多，航天員開閉艙門操作時(shí)間較長；常用于飛機(jī)口蓋上的承力快卸鎖，由于操作力較大，不適于航天員在艙外失重環(huán)境下的操作[6～8]。

設(shè)計(jì)了一套航天維護(hù)艙門，艙門與艙體采用8個(gè)錐銷、錐套及鎖緊螺釘連接；同時(shí)還采用鉸鏈機(jī)構(gòu)限制運(yùn)動(dòng)位置，滿足使用需求。

2 維護(hù)艙門的設(shè)計(jì)

某大型航天器采用由骨架與蒙皮組成的半硬殼式承力筒結(jié)構(gòu)[9，10]，為模塊設(shè)備在軌維修、更換，在相應(yīng)位置設(shè)計(jì)了維護(hù)艙門，如圖1所示。受承力筒外形的限制，該艙門的外形為弧形，艙門四周由框、梁骨架構(gòu)成的門支撐艙門。艙門內(nèi)側(cè)布置有縱向和橫向的筋條，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。艙門外側(cè)布置有把手以便于操作艙門運(yùn)動(dòng)。

圖1 艙門結(jié)構(gòu)形式

由于維護(hù)艙門較大，為保持承力筒整體剛度和傳力性能，設(shè)計(jì)有8個(gè)錐銷、錐套結(jié)構(gòu)將艙門與承力筒骨架連接，使得艙門與骨架整體受力，提高結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。錐銷、錐套連接組件如圖2所示。錐銷固定安裝在艙門上，錐套固定安裝在門框上，錐銷的圓臺(tái)與錐套的錐形槽接觸配合，既便于錐銷、錐套的對準(zhǔn)連接，又利于將艙門面內(nèi)的剪切力通過錐銷、錐套的配合面轉(zhuǎn)化為鎖緊螺釘?shù)睦?，從而提高連接強(qiáng)度。鎖緊螺釘為不脫出螺釘結(jié)構(gòu)，其光桿段的直徑小于連接螺紋段的直徑。鎖緊螺釘穿過錐銷的通孔，與錐套的螺紋孔連接配合。在錐銷側(cè)面設(shè)置有止脫螺釘，能限制鎖緊螺釘?shù)穆菁y段在錐銷通孔內(nèi)部。鎖緊螺釘頭部套有環(huán)形卡套，卡套與錐銷沉孔之間設(shè)置有彈簧。在鎖緊螺釘脫離錐套時(shí)，彈簧在自身恢復(fù)力作用下將鎖緊螺釘向外彈出，并在止脫螺釘?shù)南拗葡骆i緊螺釘不能脫離錐銷，便于航天員拆裝螺釘，滿足人機(jī)工效學(xué)要求。

圖2 錐銷、錐套連接組件

對于弧形艙門，需要避免開啟時(shí)連接件卡住而難以開啟的問題。由于連接件的軸線是沿艙門的外形法線方向安裝的，當(dāng)艙門外形弧度較大并且有多個(gè)連接件沿艙門的弧線方向布置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)連接件的軸線與艙門開啟運(yùn)動(dòng)方向有較大的角度差。采用錐形面配合的錐銷、錐套組件可以避免連接件卡住的問題，這時(shí)要求錐銷、錐套的錐形角大于艙門弧形中心角，如圖3所示。在本設(shè)計(jì)中，艙門弧形中心角為45°，錐銷、錐套的錐形角為60°。

圖3 連接件的錐形角與艙門弧形中心角

維護(hù)艙門的一側(cè)邊通過兩個(gè)鉸鏈與門框連接，以限制艙門的運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足在軌維護(hù)需求。為降低維護(hù)艙門開閉的難度，鉸鏈設(shè)計(jì)為雙連桿串聯(lián)而成的雙桿鉸鏈，使得維護(hù)艙門在開啟時(shí)能夠先向外平移一段距離后再旋轉(zhuǎn)開啟。為避免關(guān)閉艙門過程中兩個(gè)鉸鏈桿出現(xiàn)180°的“死點(diǎn)”位置而難以運(yùn)動(dòng)，在鉸鏈上設(shè)計(jì)有限位擋塊，使得艙門開閉過程中兩個(gè)鉸鏈桿夾角小于100°，在滿足艙門開啟角度要求的同時(shí)，提高機(jī)構(gòu)可靠性。艙門開啟過程中鉸鏈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 雙桿鉸鏈運(yùn)動(dòng)過程

3 維護(hù)艙門試驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證維護(hù)艙門的操作性能，設(shè)計(jì)制造了獨(dú)立的門框支架與艙門裝配，艙門與門框支架采用8個(gè)錐銷、錐套連接，并有2個(gè)雙桿鉸鏈相連，如圖5～圖7所示。維護(hù)艙門及門框支架由鋁合金加工制造，艙門長1680mm，寬（弧線長度）1222mm，質(zhì)量為20kg。錐銷、錐套采用鋼材料加工制造，鎖緊螺釘由M6內(nèi)六角圓柱頭螺釘改制成不脫出螺釘結(jié)構(gòu)。

圖5 維護(hù)艙門試驗(yàn)件

圖6 雙桿鉸鏈

圖7 錐銷、錐套組件

為模擬失重狀態(tài)下的艙門操作性能，還采用鋁型材搭建了艙門工裝試驗(yàn)架，對艙門采用吊掛彈簧進(jìn)行重力卸載，通過調(diào)整與彈簧相連的鋼絲繩使彈簧豎直向上的拉力等于艙門的重力，如圖8所示。彈簧上端通過鋼絲繩與弧型導(dǎo)軌上的滑輪連接，導(dǎo)軌的弧形與艙門重心的運(yùn)動(dòng)軌跡接近重合，使得在艙門開閉過程中彈簧能夠跟隨艙門運(yùn)動(dòng)，并保持拉力接近不變，使艙門運(yùn)動(dòng)過程中處于重力卸載狀態(tài)。

圖8 維護(hù)艙門試驗(yàn)架

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)多次拆裝測試，8個(gè)鎖緊螺釘都順利擰入、擰出，回彈彈簧能在擰出瞬間將鎖緊螺釘向外彈出，并且止脫螺釘能防止鎖緊螺釘?shù)拿撀鋪G失。采用雙桿鉸鏈的艙門經(jīng)多次打開、關(guān)閉測試，艙門開合運(yùn)動(dòng)順暢，最大打開角度為180°，且與門框無干涉，滿足使用需求。

打開、安裝艙門時(shí)，為了便于航天員操作并節(jié)省時(shí)間，需要按順時(shí)針或逆時(shí)針依次拆除或安裝8個(gè)鎖緊螺釘。經(jīng)測試，從艙門弧形邊中間處的鎖緊螺釘開始依次擰緊效果最佳。考慮到艙門是弧形，從弧形段的中部擰緊能夠先將艙門兩側(cè)較均勻地壓緊，便于后續(xù)其余螺釘?shù)捻樌麛Q緊。

表1 鎖緊螺釘擰入、擰出力矩 N?m

為測量拆裝鎖緊螺釘?shù)牧?，采用力矩扳手測量。安裝鎖緊螺釘時(shí)，力矩扳手設(shè)為固定力矩值3N·m，按順序依次擰緊8個(gè)鎖緊螺釘；拆卸鎖緊螺釘時(shí)，力矩扳手從小到大按0.1N?m的間隔設(shè)置多個(gè)不同的力矩值來擰鎖緊螺釘，直至剛好將鎖緊螺釘擰出，此時(shí)對應(yīng)的力矩值即為鎖緊螺釘?shù)臄Q出力矩；測試結(jié)果見表1。可見不同位置處的螺釘擰出力矩有所差異，但整體上均勻性較好。經(jīng)測試，所設(shè)計(jì)的雙桿鉸鏈能為艙門開啟、關(guān)閉階段提供一定的平移距離，既有利于打開艙門時(shí)錐銷、錐套的順利脫離，避免了弧形艙門多個(gè)連接件出現(xiàn)卡滯的風(fēng)險(xiǎn)，又有利于關(guān)閉艙門時(shí)錐銷、錐套的對準(zhǔn)配合，減小了錐銷、錐套鎖緊時(shí)的裝配應(yīng)力。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一套外形為弧形的航天維護(hù)艙門，采用加筋壁板結(jié)構(gòu)；并制造了艙門試驗(yàn)件試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)搭建工裝試驗(yàn)架以模擬艙門失重狀態(tài)下的操作性能。結(jié)果表明，錐銷、錐套連接可靠牢固，鎖緊螺釘具有較好的防脫落性能，8組錐銷、錐套受力均勻，8個(gè)鎖緊螺釘可以按順序依次拆裝；雙桿鉸鏈能為艙門開閉時(shí)提供一定的平移距離，既有利于打開艙門時(shí)錐銷、錐套的順利脫離，又有利于關(guān)閉艙門時(shí)錐銷、錐套的對準(zhǔn)配合；艙門開合過程順暢，操作便捷，最大打開角度為180°，且與門框無干涉，滿足使用需求。

1 王世清，王靖. 航天器的在軌維修性[J]. 質(zhì)量與可靠性，2012(4)：4～8

2 Daukantas P. Hubble’s final servicing mission[J]. Optics & Photonics News, 2008, 19(10)：30～35

3 Odom J B , Mitchell R E . Technology and the hubble space telescope satellite[C]. Anatomy of Space, 1986

4 周少程. 軌道飛行器艙門可重復(fù)鎖緊機(jī)構(gòu)的研制[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014

5 嵇景全，劉志全，游巍. 載人航天器艙門機(jī)構(gòu)原理與特點(diǎn)分析[J]. 載人航天，2003(3)：34～39

6 楊文芳. 淺談飛機(jī)口蓋鎖的選用[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2011(3)：48～50

7 曾小苗，蔣世明. 小型承力密封快卸鎖的設(shè)計(jì)[J]. 洪都科技，2006(4)：16～19

8 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委會(huì). 飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊第10冊：飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2000

9 于登云，賴松柏，陳同祥. 大型空間站整體壁板結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)展[J]. 中國空間科學(xué)技術(shù)，2011，31(5)：31～40

10 陳烈民. 航天器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2005

Design and Test of A Space Maintenance Door

Li Chuanzheng Liu Bo Dong Jihong Zhang Yaoyu

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033)

To meet the need of on-orbit maintainability of space equipment and the requirement of mechanics during space launch, this paper presents a space maintenance door and tests it. The door is shaped of arc and designed with structure of stiffened panel. 8 cones and cups are installed on the door and cabin respectively, locking screws connect and fasten the cones and cups, and locking screws are constrained not to drop out. The door and cabin are also connected by two hinges each of which consists of two rods in series. To simulate the operability of door with zero gravity, a test stand is built. Test results show that, cones and cups are fastened reliably by locking screws, and the locking screws are constrained well not to drop out. The hinges with two rods contribute to opening of closing of the door, and the door can be operated smoothly and conveniently, meeting the demand of using.

on-orbit maintenance；space door；cone and cup；locking screw；hinge

李傳政（1988），實(shí)習(xí)研究員，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：大型空間相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2019-07-18