傅 浩，于 洋，王 哲，武婷婷

(1. 哈爾濱工業(yè)大學， 哈爾濱150001； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京100094)

1 引言

低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)運行著空間站、導航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等航天器，空間站與空間望遠鏡是其中2 種典型的大型航天器。 目前，世界范圍內(nèi)共實施了14 次空間站建設任務，受空間多因素環(huán)境影響，所有長期運行的空間站任務均開展了不同程度的在軌維修與維護工作。天空實驗室(Skylab)、禮炮7 號空間站(Salyut 7 Space Station)在軌期間均進行過在軌維修；和平號空間站(MIR Space Station)在軌15 年期間出現(xiàn)了多達1500 余次故障，經(jīng)過100 余位航天員的在軌維修和維護才實現(xiàn)其超期服役；哈勃空間望遠鏡(Hubble Space Telescope，HST)在1993年至2009 年間共經(jīng)歷了5 次維修任務，維修或更換了大量的設備。 國際空間站(International Space Station，ISS)絕大多數(shù)艙段均在2010 年之前發(fā)射，目前預計退役時間為2024 年。 HST 與ISS 在部署與運行期間針對性地開發(fā)了專用維修工具，使在軌維修操作更為便捷，均實現(xiàn)了較長的在軌安全運行。

航天員在軌更換設備時，存在大量的螺釘拆裝作業(yè)，且對螺釘?shù)牟鹧b力矩均有要求。 在穿戴航天服及手套后，航天員對力矩感知不再敏感，且拆裝動作較為遲緩。 采用手動扳手操作既無法保證拆裝力矩，也難以在短時間內(nèi)完成拆裝任務。為了提高拆裝螺釘?shù)谋憬菪裕?jié)省航天員體能，更精準地控制拆裝力矩和記錄在軌操作數(shù)據(jù)，應用艙外電動工具開展在軌維修受到相關航天機構的持續(xù)關注。 NASA 主導為其早期的載人航天任務以及近期多國合作的HST 與ISS 的部署和維修任務研制了一系列艙外電動工具。 但既要應對LEO 的高真空、粒子輻射和極端溫度等空間環(huán)境，又要確保航天員著航天服后安全便捷地使用工具，這些都對艙外電動工具的研制提出了巨大的挑戰(zhàn)。

本文基于國際上已有的艙外電動工具的研究成果，分析早期艙外電動工具的特點與存在的不足，并對HST 和ISS 的艙外電動工具的性能與特點進行總結，基于現(xiàn)階段艙外電動工具的研究進展對中國空間站開展艙外電動工具的研究發(fā)展方向進行探討。

2 艙外電動工具的起步階段

受載人航天在軌維修的高難度與在軌用可充電電池技術水平的影響，20 世紀60 ～80 年代初期，以電池為動力的艙外電動工具的開發(fā)處于起步和探索階段。

1961 年美國百得公司(Black＆Decker Corporation)推出了世界上第一款以電池為動力的工具，稱作無繩電動工具(Cordless Power Tool)。1963 年起，馬丁˙瑪麗埃塔公司(Martin Marietta Materials Inc)與百得公司為NASA 開發(fā)了空間開孔電鉆、空間電鋸、空間電動扳手等早期的空間電動工具，其中一款成功應用于雙子星座計劃(Project Gemini) 的零沖擊扳手(Zero-Impact Wrench)，也稱作零反作用力空間電動工具(Zero-Reaction Space Power Tool)。 作為第一款應用于太空任務的電動工具，拆裝螺釘產(chǎn)生的反力比普通扳手減少了99.97%，確保了航天員在零重力條件下使用時不被扳手的反力旋轉，如圖1所示。 在雙子星座計劃任務期間，NASA 開展了以KC-135 型號飛機為代表的EVA 微重力訓練，其中包括使用空間電動工具進行維護和維修實驗(圖2)。

圖1 零沖擊扳手[17]Fig.1 Zero-reaction space power tool[17]

圖2 航天員在KC-135 中用電動工具進行維護維修實驗[18]Fig.2 Astronaut performs a maintenance and repair experiment with a power tool on a KC-135[18]

百得公司與NASA 的戈達德太空飛行中心(Godard Space Flight Center，GSFC)合作，為阿波羅計劃(Apollo Program)設計了具有獨立電源的輕巧、緊湊的無繩電錘鉆(Cordless Rotary Hammer Drill)，該鉆機采用電池供電的磁力計系統(tǒng)，使用獨特的計算機程序來優(yōu)化鉆機的電機并確保最小能耗，能夠由航天員手提操作鉆探至地面25.4 cm以下，用于從月球表面提取巖石樣品，并且可以在極端溫度和真空環(huán)境下工作。 無繩電錘鉆開展地面試驗如圖3 所示，零沖擊扳手和無繩電錘鉆在軌使用前，除了在地面進行必要的性能測試外，還需開展水下試驗或飛機俯沖試驗，進行模擬失重的使用驗證。

在此階段，受限于電池容量、環(huán)境適應性和永磁材料價格等因素，艙外電動工具的發(fā)展較為緩慢，但是這一階段開發(fā)的各種工具對后續(xù)開發(fā)更成熟的艙外電動工具起到了重要的借鑒作用。

圖3 無繩電錘鉆地試驗[19]Fig.3 Cordless rotary hammer drill[19]

1984 年，NASA 為太陽極大使者探測器(Solar Maximum Mission，SMM)的在軌維修任務開發(fā)了一款藍色電動工具，命名為模塊化維修工具(Module Servicing Tool，MST)。 航天員需要用2只手操作MST，驅動加長桿拆裝螺釘，成功完成了SMM 的維修。 該工具類似于一個機電裝置，體積較大，不易攜帶和操作，用途有限，但該工具采用了面向多任務的模塊化設計思想，可根據(jù)不同的任務目的進行修改和更換模塊，為后續(xù)工具的模塊化設計提供了經(jīng)驗(圖4)。

圖4 模塊服務工具[20]Fig.4 Module servicing tool[20]

3 艙外電動工具的初步發(fā)展階段

20 世紀80 年代末至90 年代初是艙外電動工具需求的高峰時期，多個太空運輸系統(tǒng)(Space Transportation System，STS)使用了艙外電動工具。這段時期艙外電動工具的應用絕大部分圍繞著HST 的部署和維修任務。 其中比較典型的航天任務為：1990 年部署哈勃望遠鏡(STS-31)，1991年部署康普頓伽瑪射線天文臺(STS-37)，1991 年部署高層大氣研究衛(wèi)星(STS-48)，1992 年修理Intelsat VI 型衛(wèi)星(STS-49)，1993 年哈勃望遠鏡的第一次維修任務(The Hubble Servicing Mission 1，SM-1，代號STS-61)等。 在這段時間內(nèi)，NASA 在早期空間電動工具的基礎上，研制了一批較為實用的艙外電動工具。

艙外電動工具按結構形式分為分體式和手槍型2 種類型。 分體式是指工具的執(zhí)行機構與電控盒是2 個獨立的部分，它們之間通過1 根電纜相連，電池一般安裝在電控盒內(nèi)，設計與實現(xiàn)相對簡單，但攜帶和操作相對復雜。 手槍型是指工具的電池、控制器與電機組件設計為一體結構，結構更緊湊，使用更便捷，符合人因工程學要求，是在軌維修工具的主要發(fā)展方向。

3.1 早期的手槍型電動工具

在20 世紀80 年代中后期，約翰遜航天中心(Johnson Space Center，JSC)開發(fā)了一款手槍型艙外電 動 工 具(EVA Power Tool)， 工 具 長 為29.85 cm，高為16.51 cm，主體直徑5.72 cm，配套9.5 mm(3/8 in)的輸出軸接口，用于連接螺絲刀、插座和鉆頭等工具(圖5)。 該工具設有1 個高速/低速轉換開關，1 個4 擋扭矩控制環(huán)，1 個正向/反向轉換開關，電動工具通過7.2 V 鎘鎳電池組供電，可完成375～450 顆螺釘?shù)牟鹧b。

圖5 艙外活動電動工具[23]Fig.5 EVA power tool[23]

1993 年哈勃望遠鏡的第1 次維修任務SM-1中攜帶了3 種電動工具，分別為哈勃艙外電動工具(HST EVA Power Tool)、微型電動工具(Mini Power Tool)和電動棘輪工具(Power Ratchet Tool，PRT)。 其中哈勃艙外電動工具是JSC 在艙外活動電動工具的基礎上改進的一款艙外電動工具，專為HST 的部署而開發(fā)(圖6)。 工具長為30.99 cm，高為17.02 cm，寬度為7.95 cm(含固定卡座)，工具外殼為玻璃纖維Lexan 樹脂外覆光亮鋁基膠帶(Reflective Aluminum Tape)。 工具配套9.5 mm(3/8 in)接口，具有20 r/min 和50 r/min的轉速調節(jié)功能，通過鋸齒狀調節(jié)環(huán)可實現(xiàn)5.65～33.895 Nm(50～300 in-lb)的4 個擋位調節(jié)。 電源為7.2 V 鎘鎳電池組，低速模式下，可完成48 個英制8#細牙螺釘?shù)牟鹧b，高速模式下可完成44 個英制1/4 in 細牙螺釘?shù)牟鹧b。 該工具被廣泛用于STS-31、STS-37、STS-49 以及STS-61 等飛行任務中的航天器部署、維修等艙外活動。 但由于其非金屬的Lexan 樹脂外殼或其他可靠性設計上的原因，該工具在STS-61 任務中被證明可靠性不高，在LEO 空間環(huán)境下易失效。

圖6 哈勃艙外電動工具[25]Fig.6 HST EVA power tool[25]

3.2 早期的微型電動工具

在20 世紀80 年代后期至90 年代初期，為解決狹小空間條件下的維修，JSC 開發(fā)了一款微型電動工具(Mini Power Tool)。 此電動工具在電源關閉的情況下可用作手動工具。 工具長為27.81 cm，端 部 直 徑 為4.5 cm， 握 柄 直 徑 為3.61 cm(圖7)。 配套9.5 mm(3/8 in)接口，正向/反向旋轉，空載速度為170 r/min。 電動模式下具有從0.678～1.469 Nm(6～13 in-lb)共分6 個扭矩調節(jié)擋位，手動最大擰緊扭矩為13.558 Nm(120 in-lb)。 2 段外殼主體采用68°鉸鏈連接，便于手動擰緊。 工具的供電為2. 4 V/1. 7 Ah 鎘鎳電池組，并配置30 A 的保險絲。 該工具在STS-48 飛行任務中首次使用，并延用在STS-61任務中。

3.3 電動棘輪工具

圖7 微型電動工具[23]Fi g.7Minipowertool[23]

HST 的運營機構為GSFC，但是在軌維修任務的執(zhí)行由JSC 承擔，因此兩者在維修工具的選擇上存在競爭關系。 GSFC 的Richards 團隊為SM-1 研制了一款無刷直流電機驅動的電動棘輪扳手PRT，它是一款分體式的電動工具，由3個部分組成：扳手機構、控制器和電池模塊，扳手機構與控制器之間通過1 根約為1.83 m(6 ft)長的電纜相連(圖8)。 工具的棘輪部分長為43 cm，質量為3.62 kg，主結構材料為陽極氧化的鈦和鋁。 類似于普通的手動棘輪扳手，其操作手柄與輸出軸成直角，配套9.5 mm(3/8 in)接口。 電源為1 組安裝在控制器中的28 V 銀鋅電池，驅動速度為10 ～30 r/min，電動模式下輸出力矩在0 ～33.895 Nm(0～25 ft-lb)，手動模式下最大力矩為101.69 Nm(75 ft-lb)。

圖8 電動棘輪工具[29]Fig.8 Power ratchet tool[29]

該工具通過模式開關環(huán)實現(xiàn)電動/手動的切換，電動模式下扭矩、轉數(shù)和速度的14 種組合編程到控制器中，航天員通過控制器上的開關選擇參數(shù)。 為了保護電池免受低溫環(huán)境的影響，在氣閘艙外，控制器一直保持開機狀態(tài)。 控制器上的故障指示燈可以指示溫度報警、電量報警和電子故障等。

PRT 首次在STS-31 任務中被帶入太空，此后Richards 等根據(jù)此次的飛行經(jīng)驗進行改進設計，選用低速高扭矩無刷直流電動機，減速器齒輪組由2 個行星齒輪組和1 個錐齒輪組組成，齒輪總減速比為75 ∶1，增加了花鍵離合器，以在手動模式下分離傳動系。 優(yōu)化后的工具在STS-51(1993 年，部署高級通訊技術衛(wèi)星，部署IMAX 攝像機，軌道回收長距離極限紫外線光譜儀)、STS-61、STS-82(1997 年，哈勃望遠鏡的第2 次維修任務，SM-2)和STS-103(1999 年，哈勃望遠鏡的第3次維修任務，SM-3)任務中使用。 其中在執(zhí)行SM-1的STS-61 飛行任務中，JSC 開發(fā)的電動工具因故失效，PRT 表現(xiàn)相對穩(wěn)定可靠，幫助航天員順利完成了維修任務。

PRT 與同期的哈勃艙外電動工具具有顯著的不同。 區(qū)別于哈勃艙外電動工具的手槍型外形，PRT 的外形類似一個大型的棘輪扳手，并通過外置的電源及控制盒實現(xiàn)供電與控制。 PRT采用了金屬外殼，而哈勃艙外電動工具為非金屬的Lexan 樹脂外殼，在輻射防護性能上PRT 更勝一籌。 PRT 體積更大，金屬外殼也導致其質量增加。 但PRT 采用了成熟的模塊化設計，比如獨立的電源模塊、力矩限制器模塊等，便于優(yōu)化升級，對后續(xù)各類艙外電動工具的研制具有重要的示范作用。

3.4 其他工具

在同一時期，NASA 還開發(fā)了3 款備用工具，分別面向高扭矩或者工具智能化等特殊功能。 旋轉沖擊電動工具(Rotary Impact Power Tool)是一種有刷直流電機驅動的手槍型電動工具，由電動工具和旋轉沖擊扭矩工具附件組成，作為維修哈勃望遠鏡的應急工具，可以拆除常規(guī)工具無法拆除的螺釘。 工具長為26.62 cm，高為18.52 cm，主體直徑為4.93 cm，配套9.5 mm(3/8 in)接口。最大沖擊扭矩輸出高達40.675 Nm(360 in-lb)，同時不會使緊固件附近的載體結構遭受高沖擊載荷，也不會將反沖力傳遞到手柄。 電源為1 組7.2 V 鎘鎳電池組，可持續(xù)工作3 ～15 min(圖9)。 這款工具在STS-61 飛行任務中首次使用，工具的扭矩輸出與續(xù)航能力在很大程度上取決于電池性能，其過短的持續(xù)工作時間，使其實用性大打折扣。

圖9 旋轉沖擊電動工具[23]Fig.9 Rotary impact power tool[23]

智能電動工具(Smart Power Tool)是一種微處理器控制的手槍型電動工具， 工具長為36.83 cm，高為16.51 cm，寬度直徑為6.35 cm(圖10)。 配套9.5 mm(3/8 in)接口，具有1 個高低速開關，1 個正反轉開關，1 個手動轉矩/轉矩/轉數(shù)開關(Manual torque/Torque only/Revolution)和1 個加減設定開關。 扭矩范圍為0.565 ～20.337 Nm(5～180 in-lb)，轉數(shù)范圍為0.5 ～125，轉速分別是低速20 r/min 和高速60 r/min，電源為7.2 V 鎘鎳電池組。 智能電動工具可用于任何需要精確調節(jié)扭矩、轉速或兩者結合的EVA任務，支持用戶輸入?yún)?shù)，用戶界面包括2 個數(shù)字顯示器，分別用于顯示設定值和實際值。 該工具側面配有1 個反作用臂，需雙手操作來保持穩(wěn)定，而航天員在EVA 中的大多數(shù)時刻都難以保證能夠雙手都用來操作工具，該工具未見在飛行任務中應用，屬于上天產(chǎn)品的替代備選方案之一。

圖10 智能電動工具[23]Fig.10 Smart power tool[23]

天空實驗室發(fā)射成功之后，美國開始致力于建設一個永久空間站，名為自由號空間站(Space Station Freedom，SSF)。 但由于耗資巨大，經(jīng)過多次修改和調整，部分殘余項目轉入了目前的國際空間站。 SSF 作為ISS 的前身，在研期間開發(fā)了一款無刷直流電機驅動的高扭矩電動工具(High Torque Power Tool)，工具長為30.48 cm，高為27.94 cm， 寬 為 9.83 cm。 配 套 9.5 mm(3/8 in)接口，具有1 個高低速開關，1 個正反轉開關，轉速為10 r/min、20 r/min 和50 r/min 可選，通過鋸齒形的機械離合器調節(jié)環(huán)設定扭矩擋位，在3.39～34.98 Nm(2.5～25.8 ft-lb)之間共設8 個擋位(圖11)。 電機控制器具有霍爾速度傳感器、欠壓閉鎖、12 A 限流器以及用于保護工具的過熱關機功能。 電源選用SSF 的公用插座或可充電的28 V 直流鎘鎳電池，直流28 V 時的功耗為125 W，電池電壓低于直流25 V 時自動報警。 30%負載下續(xù)航34 min，100%負載下續(xù)航2 min。該工具原設計用于SSF，后續(xù)被改造為ISS 任務，但該工具續(xù)航時間過短，未見飛行任務中使用的報道。 上述相關電動工具具體參數(shù)如表1 所示。

圖11 高扭矩電動工具[32]Fig.11 High torque power tool[32]

4 艙外電動工具的日趨成熟階段

20 世紀90 年代中后期至今，載人航天任務更為頻繁和密集，以HST 的3 次維修任務以及ISS 的部署與維護任務為代表，對艙外電動工具提出了更高的要求，比如較大的扭矩范圍、較高的扭矩精度、較小的體積與質量、良好的可靠性與續(xù)航能力等。 在80 年代中后期和90 年代初期這十余年時間內(nèi)開發(fā)出的各種早期艙外電動工具的基礎上，開發(fā)了幾款更為精致的艙外電動工具。

4.1 哈勃手槍型電動工具

PRT 在SM-1 上的成功使用促使NASA 放棄繼續(xù)升級JSC 開發(fā)的哈勃艙外電動工具，轉而由GSFC 的Richards 團隊主導，在PRT 的基礎上開發(fā)出一種更小、更高效的微處理器控制的手槍型電動工具(Pistol Grip Tool，PGT)，以使維修哈勃太空望遠鏡更加便捷。 PGT 繼承了PRT 的模塊化設計思想和控制策略，自重8.2 kg (18 lb)，配套9.5 mm(3/8 in)接口，支持正反轉，電動/手動模式切換。

手動模式下類似于無動力棘輪扳手，具有離合器手自動分離、棘輪限力矩功能，可承受的最大扭矩為51.521 Nm(38ft-lb)。 電動模式下可針對特定任務將參數(shù)預先編程到工具中，扭矩范圍為2.712～33.895 Nm(2 ～25 ft-lb)，轉 速 為5 ～60 r/min，轉數(shù)為0～99。 LED 顯示屏可顯示施加的扭矩大小、轉速、轉向，以及故障提示。

表1 部署哈勃及第一次維修哈勃的電動工具[23]Table 1 Power tools used in deployment and servicing mission 1 of HST[23]

該工具由原Swales Aerospace Inc.公司制造，并在多次航天飛機任務中成功對其進行了驗證，并用于HST 第2 ～5 次維修任務(SM-2、SM-3A、SM-3B、SM-4)。 采用模塊化設計的PGT 支持根據(jù)不同的任務進行參數(shù)調整或者模塊升級，促使其成為了此后其他大型航天器的在軌維修與部署任務的電動工具的基本構型(圖12)。

圖12 PGT 執(zhí)行第4 次哈勃太空望遠鏡維修[36]Fig.12 PGT performed the servicing mission 4 for HST[36]

4.2 其他用途的電動工具

為了在2009 年第5 次維護哈勃望遠鏡的任務SM-4(飛行代號：STS-125)中更換高級巡天相機的電路板，需要拆裝111 顆螺釘，GSFC 的首席工程師Ashmore 主導開發(fā)了一款迷你電動工具(Mini Power Tool)，是一種小型、高轉速、低扭矩的電動螺絲刀，鋁合金外殼，額定轉速210 r/min，頂端安裝一個LED 燈，用于輔助照明。 該工具的低扭矩可以避免損壞螺釘，高轉速的設計理念旨在幫助航天員快速拆裝螺釘，每15 s可以拆除1顆螺釘，在有限的艙外活動時間內(nèi)快速完成維修任務，如圖13 所示。 從功能和結構形式來看，迷你電動工具與PRT、PGT 一脈相承，該類工具的成功應用為ISS 等航天器的在軌維修提供了技術基礎。

4.3 ISS 手槍型電動工具

PGT 在SM-2 中的成功應用，促使ISS 各艙段的部署及其后續(xù)的維護任務中，JSC 選擇在HSTPGT 的基礎上進行必要的調整和優(yōu)化升級，形成適用于國際空間站任務的ISS-PGT。 該工作由GSFC 的Richards 團隊以及軌道科學公司和Swales 共同完成。 由于ISS 和HST 的工況與所采用的標準不同，ISS 艙段更大，航天員使用PGT 通常需要使用加長桿，工具使用時極易側向偏轉，由此產(chǎn)生的側向力可能導致工具測得的扭矩與實際施加的扭矩相差很大，為此ISS 專門針對PGT 的扭矩精度進行了一系列的改進，充分考慮Man-In-The-Loop 效應，以滿足ISS 任務的精度需求。

圖13 迷你電動工具[38]Fig.13 Mini power tool[38]

ISS 使用的PGT 與HST 使用的功能幾乎完全一致，但是更為緊湊。 該工具長為36 cm，高為38.6 cm，寬為7 cm，包含電池6.1 kg，不含電池4.8 kg(10.6 lb)，力矩及轉速匹配ISS 的需求，配套9.5 mm(3/8 in)接口，電動模式下扭矩范圍為14 擋3.39～34.573 Nm(2.5 ～25.5 ft-lb)，轉速為5～60 r/min，圈數(shù)最高可達999。 速度擋位正反轉各3 檔：10 r/min、30 r/min、60 r/min。 手動模式下為6 擋扭矩3.39 ～41.352 Nm(2.5 ～30.5 ftlb)。 電源管理15 min 自動休眠，30 min 自動斷電。 該工具還支持對扳機的每次扳動進行編程，任務控制模塊可以無線調整各種設置。 速度和扭矩的設置會顯示在LED 屏幕上，閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)可以提供良好的扭矩控制精度，并且該工具可在其內(nèi)存(Non-Volatile Memory，NVM)中記錄每次使用時的扭矩數(shù)據(jù)，包括最大施加扭矩值和達到閾值扭矩后旋轉的角度等。 數(shù)據(jù)可以下載至計算機，可分析扭矩的精度以及診斷工具的健康狀況，如圖14 所示。

目前ISS 的PGT 的功能和性能已經(jīng)較為成熟，能夠滿足ISS 的在軌維修維護需求，但是具有進一步升級的空間，例如其采用了鋰離子電池作為電源，鋰電池的熱穩(wěn)定性是進一步研究和防護的重點，圖15 為航天員在國際空間站外使用PGT進行熱控制設備的更換任務。

圖14 ISS 手槍型電動工具[41]Fig.14 ISS pistol grip tool[41]

圖15 航天員在國際空間站外使用PGT 進行熱控制設備的更換任務[42]Fig.15 Astronaut swap the thermal control gear outside of the ISS during a spacewalk[42]

表2 為哈勃手槍型電動工具和空間站手槍型電動工具具體參數(shù)列表。

5 艙外電動工具的發(fā)展與研究方向

目前，國外在軌維修艙外電動工具的研發(fā)日臻成熟，并成功應用于以HST 和ISS 等載人航天在軌維修任務。 國內(nèi)載人航天在軌維修艙外電動工具的研究尚處于起步階段，未見報道針對中國空間站的建設和在軌維修維護所使用的艙外電動工具。 借鑒國外的艙外電動工具，中國空間站的艙外電動工具在產(chǎn)品研制和長壽命應用等方面仍有許多問題尚待解決的難題。

1)維修任務體系與工具的統(tǒng)籌規(guī)范。 大型航天器配置的緊固螺釘規(guī)格較多，而特定規(guī)格的艙外電動工具的轉速、扭矩、續(xù)航能力等均具有一定的適用范圍，在設計航天器時應該考慮在軌維修任務體系與電動工具的匹配性，優(yōu)先采用規(guī)范化的維修設計，減少螺釘規(guī)格和扭矩范圍，采用盡可能少的工具滿足盡可能多的維修任務，提高航天器的可維修性。 需要根據(jù)電動工具的性能選擇合適的螺釘，或者根據(jù)必要的螺釘規(guī)格提升工具性能，在任務制定時期即形成維修任務體系與工具的統(tǒng)籌規(guī)范。

2)艙外電動工具高可靠性設計方法。 區(qū)別于地面商用電動工具，艙外電動工具作為艙外維修任務的關鍵設備，應充分考慮真空環(huán)境、單粒子效應、冷熱交變等復雜空間環(huán)境要素，開展多種影響因素的耦合分析和關鍵技術攻關，進行高可靠性設計，并實施有效的地面模擬驗證方法。 實現(xiàn)基于人因工程的艙外電動工具的操作便捷化和輕量化，最終確保電動工具的在軌高可靠性和長壽命需求，有效減少工具上行數(shù)量，降低研制成本，建立一套適用于航天員在軌艙外應用的電動工具的高可靠性設計方法。

表2 哈勃手槍型電動工具和空間站手槍型電動工具[34，40]Table 2 HST Pistol Grip Tool and ISS Pistol Grip Tool[34，40]

3)加強模塊化的手槍型電動工具的研究。手槍型電動工具結構緊湊，不存在額外的線纜或配件，符合艙外操作的人因工程需求，操作、存取與攜帶較為便捷。 手槍型電動工具具有較大范圍的力矩和速度調節(jié)能力，可以滿足絕大多數(shù)艙外維修任務的要求。 模塊化的設計理念便于根據(jù)任務需求調整、優(yōu)化模塊性能參數(shù)，也可以根據(jù)技術發(fā)展水平對模塊進行升級。 參考國外電動工具的研制經(jīng)驗，加強模塊化手槍型電動工具的研究十分迫切。

6 結論

艙外電動工具是航天員實施在軌維修必不可少的工具之一。 多年來國際上針對不同的航天任務開發(fā)了多種艙外電動工具，例如早期空間電動工具、電動棘輪工具、手槍型電動工具、迷你電動工具等艙外電動工具。 基于中國空間站在軌維修維護需求，本文提出了中國艙外電動工具的進一步發(fā)展和研究方向，指出中國艙外電動工具在研制過程中仍有許多關鍵問題尚待解決，如航天器維修任務體系與工具的統(tǒng)籌規(guī)范、電動工具的模塊化、高可靠性設計方法等。