傅 浩， 于 洋， 王 哲， 武婷婷

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

1 引言

人類在太空低地球軌道的科學(xué)探索越來越廣泛和深入，未來不乏有可能進(jìn)入深空建立適合人類長期駐留的月球站或者承擔(dān)其他載人深空探測任務(wù)，在太空惡劣的環(huán)境下維持航天器較長時間的安全運行必不可少地需要在軌開展維修維護(hù)工作，而艙外電動工具是航天員完成在軌維修任務(wù)的必備工具。 至今，除了針對一些特定任務(wù)需求開發(fā)出的具有特定功能的艙外電動工具外，手槍型電動工具從使用層面符合人因工程，具有攜帶、存取、操作均較為靈巧便捷的優(yōu)點，以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和國際空間站為代表的航天器的大部分常規(guī)維修任務(wù)均通過手槍型電動工具來完成[1-2]。

典型的手槍型電動工具分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控、電源、人機(jī)界面4 個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)內(nèi)包括單個或多個必要的模塊。 機(jī)械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)提供了輸出扭矩的必要機(jī)構(gòu)模塊，如多級扭矩限制器(Multisetting Torque Limiter，MTL)、動力總成(Power Train)和外殼(Main Housing)以及各種人機(jī)交互開關(guān)等；電控子系統(tǒng)包括電路板、傳感器、線路等；電源子系統(tǒng)包括電池組及附屬器件等；人機(jī)交互界面與電控系統(tǒng)密切相關(guān)，由可顯示設(shè)備工作狀態(tài)與故障狀態(tài)的屏幕或者指示燈等組成[3]。 本文對手槍型電動工具的動力總成、電控、電源等子系統(tǒng)進(jìn)行梳理總結(jié)，并對艙外電動工具的研究難點與發(fā)展方向進(jìn)行探討。

2 手槍型電動工具的模塊化設(shè)計

以哈勃望遠(yuǎn)鏡的第二次維修任務(wù)(The Hubble Servicing Mission 2，SM-2)中首次使用的手槍型電動工具PGT 為例，該工具關(guān)鍵組成部分采用模塊化設(shè)計，共6 個模塊:MTL、動力總成、外殼、電控模塊、人機(jī)交互界面和電池模塊[4]，結(jié)構(gòu)剖視圖見圖1。

圖1 PGT 中間剖視圖[4]Fig.1 The middle section of PGT[4]

模塊化設(shè)計簡化了設(shè)計和裝配難度，便于后續(xù)進(jìn)行性能優(yōu)化升級，每個模塊都可以單獨安裝和拆除。

2.1 扭矩限制器模塊

MTL 位于PGT 的前端，用于保護(hù)硬件免受過大扭矩。 工具的正后方設(shè)有安全開關(guān)，解鎖安全開關(guān)后，旋轉(zhuǎn)MTL 扭矩調(diào)節(jié)環(huán)可設(shè)置6 個擋位，電動模式下扭矩范圍為1.4～67.8 Nm (1.0～50.0 ft-lb)，手動模式下扭矩極限為41.3 Nm(30.5 ft-lb)。 安全開關(guān)采用了防誤操作設(shè)計[4]。

2.2 動力總成模塊

PGT 的動力總成由電機(jī)、減速器、扭矩傳感器和棘輪機(jī)構(gòu)組成。 在NASA 對于無刷直流電機(jī)開展的相關(guān)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上[5]，PGT 的電機(jī)為28 V 四極無刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用釤鈷磁體，配置霍爾傳感器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。 減速器采用兩級行星齒輪組，減速比為110 ∶1[4]。

通過旋轉(zhuǎn)棘輪機(jī)構(gòu)配置電動或手動模式，有3 種設(shè)置:順時針手動模式(RCW)，電動模式(MTR)和逆時針手動模式(RCCW)。 MTR 模式下離合器處于嚙合狀態(tài)，電機(jī)輸出軸通過MTL 與PGT 輸出軸連接。 在RCW 和RCCW 模式下，離合器處于松開狀態(tài)，負(fù)載路徑是通過棘輪棘爪傳遞到主殼體。 此外通過霍爾傳感器抑制電機(jī)在RCW 和RCCW 手動模式下的異常轉(zhuǎn)動[4-6]。

2.3 外殼及機(jī)構(gòu)潤滑

在PGT 的外殼內(nèi)，設(shè)計有MTL、離合器、棘輪環(huán)、各式開關(guān)等多個運動的機(jī)構(gòu)。 外殼及內(nèi)部機(jī)構(gòu)部分在溫度交變和高真空環(huán)境下可能產(chǎn)生運動機(jī)構(gòu)卡滯，合適的潤滑技術(shù)是避免空間環(huán)境下運動機(jī)構(gòu)卡滯的必要措施。

由于LEO 空間環(huán)境的復(fù)雜性和空間機(jī)構(gòu)運動的特殊性，很多地面常溫常壓環(huán)境下所使用的潤滑技術(shù)不再適用，LEO 空間環(huán)境對潤滑材料的物理、化學(xué)性質(zhì)具有直接或間接的影響，將導(dǎo)致潤滑材料的性能退化甚至失效。 目前解決太空機(jī)構(gòu)運動副摩擦一般采用空間固體潤滑技術(shù)[7]。

自20 世紀(jì)60 年代起，以美國和蘇聯(lián)為代表的航天大國開展了固體潤滑方面的大量研究。 如和平號空間站中，載人飛船的發(fā)動機(jī)軸承、太陽帆板展開機(jī)構(gòu)等均采用了固體潤滑技術(shù)。 美國部分航天產(chǎn)品中的滾動軸承、航天飛機(jī)的掃描機(jī)構(gòu)等裝置中也使用了固體潤滑技術(shù)[7-9]。 中國航天領(lǐng)域從20 世紀(jì)70 年代起開展了以MoS2固體潤滑技術(shù)為主的研究[10]。

固體潤滑是利用鍍、涂等方法將固體潤滑材料粘著在摩擦表面，形成固體潤滑膜以減少兩承載表面之間的摩擦、磨損或其他形式的表面損壞作用[11-12]。 固體潤滑劑或固體潤滑膜即為這種能夠降低摩擦、減小磨損的固體物質(zhì)。 常用的空間固體潤滑材料主要分為:軟金屬、層狀結(jié)構(gòu)物、高分子聚合物、其他低剪切強度材料四類[13]。

軟金屬的代表材料為鉛、金、銀等，離子鍍鉛、鍍金、鍍銀膜等在空間機(jī)械中廣泛應(yīng)用。 其優(yōu)點為與工件結(jié)合性好，能夠持續(xù)發(fā)揮減磨和潤滑作用，無低溫脆性，缺點為抗氧化性和抗原子氧侵蝕能力較差[14]，不適用于低軌艙外應(yīng)用。

層狀結(jié)構(gòu)物的代表材料有MoS2、WS2、NbSe2等，在空間潤滑領(lǐng)域，濺射MoS2潤滑膜的應(yīng)用最為廣泛，為提高抗?jié)裥院湍湍バ?，一般在MoS2中添加Ti、Ni 等形成共濺射膜。 層狀結(jié)構(gòu)物潤滑材料的優(yōu)點為高承載力以及可以有效地防止真空冷焊，真空摩擦系數(shù)和磨損率低，耐高低溫交變和抗輻射性好[14-16]。 但純MoS2在潮濕大氣環(huán)境下極易氧化，從而使?jié)櫥阅芟陆?，常見的防護(hù)措施有采用高純氮氣或惰性氣體保護(hù)。 采用MoS2固體潤滑方式的產(chǎn)品，需考慮密封性良好的貯存箱或貯存空間[15-17]。 近年來發(fā)展的類金剛石碳薄膜(Diamond-Like Carbon films，DLC 膜)固體潤滑兼具了金剛石和石墨的優(yōu)良特性，具有高硬度、高電阻率、良好光學(xué)性能以及摩擦學(xué)特性，在空間機(jī)構(gòu)中具有較多的應(yīng)用[18-21]。

高分子聚合物的代表材料為PTFE、PF、EP、PI、PA 等，優(yōu)點為真空摩擦系數(shù)低，化學(xué)穩(wěn)定性好，低溫性能和電絕緣性好，缺點為承載能力較差[16]。

其他低剪切強度材料為金屬氧化物、氟化物、硫化物等，如PbO、CaF2等在高溫下具有良好的潤滑作用。 該類材料在高溫下具有高抗氧化性，且摩擦系數(shù)隨著溫度升高而減小等特點，但目前只適用于一些特殊用途的潤滑[16]。

2.4 電控模塊

電控模塊由安裝在鋁外殼上的模擬電路板和數(shù)字電路板組成。 這些電路板主要由以下組件構(gòu)成:1 個87C196KD 單片機(jī)、1 個時鐘振蕩器、內(nèi)存地址鎖存、EEPROM、1 個可擦可編程邏輯設(shè)備(EPLD)EMP5130、82C55 端口擴(kuò)展器、DAC-8412四路數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、應(yīng)變儀轉(zhuǎn)矩傳感器信號調(diào)節(jié)電路、溫度(電機(jī)、電池和電動混合動力)信號調(diào)節(jié)電路、硬件轉(zhuǎn)矩報警電路、閉鎖限流電路以及電機(jī)驅(qū)動混合電路。 系統(tǒng)設(shè)計的難點為將電機(jī)控制系統(tǒng)、1 個測量信號調(diào)理系統(tǒng)、1 個8 通道/10 bit數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和1 個可靠的電源封裝到大小為245 cm3(15 in3)的體積中。 PGT 采用了先進(jìn)的電子設(shè)計和裝配技術(shù)解決該難點，包括全數(shù)字控制方案、多功能微控制器、現(xiàn)用混合微電路(Off-the-Shelf Hybrid Microcircuits)、可編程邏輯和雙面表面安裝技術(shù)[4，22]。

PGT 的電控模塊及控制軟件實現(xiàn)了三大功能:伺服控制、故障檢測、數(shù)據(jù)采集。 伺服系統(tǒng)為閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和角度輸出。 基于比例和積分控制算法，使用脈沖寬度調(diào)制和電機(jī)自身速度控制曲線數(shù)據(jù)。 軟件允許電機(jī)在以下3 種情況下工作:程序轉(zhuǎn)矩、程序轉(zhuǎn)速、基于自身速度/轉(zhuǎn)矩曲線的最大輸出。 計算機(jī)系統(tǒng)還收集和存儲故障數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)，可以檢測到軟件、溫度、電流、電壓和扭矩的各種故障。 故障歷史記錄存儲在非易失性內(nèi)存中，以便在開發(fā)、測試和使用期間排除故障。 NASA等機(jī)構(gòu)針對無刷直流電機(jī)及控制策略在空間環(huán)境下的應(yīng)用及效果開展了相關(guān)研究[23-26]。 PGT 采用的無刷直流電機(jī)與控制器以及FPGA 電路均應(yīng)考慮LEO 軌道上的粒子輻射防護(hù)，也可采用一定的三模冗余等容錯設(shè)計技術(shù)，以避免發(fā)生故障后的控制系統(tǒng)失效[27-30]。

在每次HST 維修任務(wù)之前，PGT 都通過RS-422 或RS-232 接口進(jìn)行編程。 每個任務(wù)可編程設(shè)置14 個扭矩和3 個速度，每個扭矩也可以編程設(shè)置特定的轉(zhuǎn)數(shù)或角度。 可設(shè)定的扭矩范圍為2.7～33.9 Nm(2.0～25.0 ft-lb)；可設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍為0.5～6.3 rad/s(5.0～60.0 r/min)，可設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)范圍為0.01～999.99 r 或1～1000°。 其他可編程變量包括堵轉(zhuǎn)時間、休眠時間、自動關(guān)機(jī)時間、扭矩閾值和角度閾值。 PGT 可以精確記錄拆裝某個螺釘?shù)男D(zhuǎn)方向、扭矩和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)[4]。

2.5 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面用于航天員控制和獲取工具狀態(tài)，并通過字母數(shù)字顯示和發(fā)光二極管(LED)等提供視覺反饋(圖2)。 航天員通過各種開關(guān)以及MTL 扭矩環(huán)、棘輪環(huán)、程控扭矩環(huán)和速度環(huán)等來選擇PGT 的配置。 速度環(huán)有一個CAL 鍵，可測試LED 字母數(shù)字顯示和校準(zhǔn)扭矩傳感器[31]。 開關(guān)包括開/關(guān)斷路器、A/B 模式開關(guān)和扳機(jī)。 通過LED 和字母數(shù)字顯示向航天員顯示配置、性能和故障信息。 LED 由電源(綠色)、故障(紅色)和扭矩(綠色)組成。 字母數(shù)字顯示器顯示程序轉(zhuǎn)矩、程序速度、方向、實際峰值轉(zhuǎn)矩和自上次配置更改以來的實際累計旋轉(zhuǎn)次數(shù)，故障信息也會在顯示屏中顯示[4]。

圖2 PGT 人機(jī)交互界面[31]Fig.2 PGT Operator interface[31]

2.6 鋰離子電池組及熱失控防護(hù)

理想的空間電池技術(shù)需保持電池體積足夠小，便于航天員使用，能夠提供長續(xù)航，自身安全不易發(fā)生泄露等故障。 PGT 的電池組要求在HST 維修任務(wù)中最惡劣的熱邊界條件下，可保持至少28 V與1 A連續(xù)電流的電子器件和8.25 A 的電機(jī)峰值電流，且具有足夠的電量進(jìn)行整個6 h的艙外活動。 自可充電電池發(fā)展至今，典型的可能用于電動工具電源的4 種電池技術(shù)分別為:鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)、鋰離子(LiIon)和銀鋅(AgZn)。 其中，鋰離子電池具有最高的電池電壓和體積能量密度，PGT 是第一個采用了鋰離子電池的空間設(shè)備[4]。

每個PGT 電池組包含10 個串聯(lián)的3.7 V/2.6 Ah 的18650 鋰離子電池單體，可形成一個41 V的開路和一個36 V 的標(biāo)稱閉合電路，充電時為2 并5 串結(jié)構(gòu)。 電池組由可拆卸的鍍鎳鋁外殼包覆，電池組的一端是一個小型矩形電連接器，它是電池組與工具端的供電接口。 在工具短路的情況下，由10 A 保險絲提供過電流保護(hù)。 電池模塊和電池護(hù)罩上帶有導(dǎo)向槽，以防止錯誤插入。 內(nèi)置溫度傳感器，超過標(biāo)稱溫度時，通過顯示屏向用戶顯示電池溫度過高報警，如電池溫度升高并接近不安全的水平，則會自動斷開電源。

鋰離子電池能量高、體積小，缺點是工作溫度區(qū)間有限，極限工作溫度區(qū)間約為－20～50 ℃，最佳工作溫度為20～40 ℃，且在高溫時熱穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生熱失控(Thermal Runaway，TR)。 因此在低地球軌道的陰影區(qū)使用時，需減少熱耗散以保持電池溫度，在陽照區(qū)，需處理在環(huán)境溫度過高的情況下電機(jī)等大功率部件運行時導(dǎo)致電池產(chǎn)生的高熱，以防止鋰離子電池高溫產(chǎn)生失效，甚至起火、爆炸等事故[32]。

對于鋰電池安全問題，Darcy 等[33]針對10 節(jié)18650 組成的鋰電池組的熱失控開展了一系列的研究，圖3 為該團(tuán)隊開展鋰離子電池?zé)崾Э匮芯克褂玫碾姵亟Y(jié)構(gòu)。 研究總結(jié)了鋰離子電池?zé)崾Э胤雷o(hù)的關(guān)鍵點:減少電池單體因高溫等原因?qū)е缕屏训娘L(fēng)險；電池內(nèi)部單體之間有充足的空間，避免電池單體之間直接接觸使得內(nèi)部無熱擴(kuò)散通道，導(dǎo)致電池組整體熱失控；并聯(lián)單體間設(shè)有保險絲，防止單體熱失控后對其他單體產(chǎn)生加熱效應(yīng)；保護(hù)熱失控單體附近的其他單體，防止單體熱失控后產(chǎn)生的固液氣等導(dǎo)電物質(zhì)導(dǎo)致其他單體短路；熱失控后防止電池組內(nèi)部朝外噴射火焰和火星。 研究表明，殼體上設(shè)計碳纖維刷組成的防火透氣孔，可以在熱失控后平衡氣壓及阻擋內(nèi)部的火焰和火星向外噴射；將單體安裝于由Al 6061T6鋁合金制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)件內(nèi)，在提高結(jié)構(gòu)強度同時提高內(nèi)部散熱能力；兩端通過環(huán)氧層壓板進(jìn)行固定；單體外層包裹云母紙后插入鋁合金孔內(nèi)[33-36]，如圖4 所示。

圖3 PGT 電池組[33]Fig.3 PGT battery pack[33]

圖4 電池組的熱失控防護(hù)設(shè)計[33]Fig. 4 Thermal Runaway protection design of battery pack[33]

3 艙外電動工具的優(yōu)化與地面驗證

3.1 持續(xù)的優(yōu)化及測試

為了保證艙外電動工具正確、安全且有效地工作，NASA 的戈達(dá)德太空飛行中心(Godard Space Flight Center， GSFC) 的 EVA 負(fù) 責(zé) 人Cepollina 和EVA 經(jīng)理Werneth 清晰地闡述了研制維修哈勃的工具的主要目標(biāo)和重要標(biāo)準(zhǔn)之一即是持續(xù)地測試，并稱之為一個重要的教訓(xùn)，因為在工具測試上花費的時間可以節(jié)省寶貴的EVA 在軌工作時間和研制成本。 GSFC 的EVA 團(tuán)隊建立了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，明確了發(fā)射要求和工作環(huán)境，對每種工具的安全系數(shù)進(jìn)行核查，并制定嚴(yán)格的測試和認(rèn)證規(guī)范。 由于每個航天飛機(jī)任務(wù)都有限定的質(zhì)量分配，導(dǎo)致每種工具均不存在更多的備份件，需要在確保足夠高可靠性的前提下盡量輕量化，需要不斷地優(yōu)化和測試。 GSFC 針對每個EVA 執(zhí)行的任務(wù)以及每個任務(wù)需使用的工具，均按重要性提前規(guī)劃，形成任務(wù)概要時間表和每個EVA 任務(wù)的工具集目錄，并做到充分的測試和驗證。 工具集目錄作為參考基準(zhǔn)，當(dāng)新工具研制并投入使用時，冗余工具則被剔除[37-39]。

3.2 艙外工具的地面驗證

NASA 針對航天員使用PGT 或者其他艙外工具進(jìn)行在軌維修任務(wù)設(shè)計了一系列的地面培訓(xùn)學(xué)習(xí)程序。 在軌維修的每個動作都需經(jīng)過細(xì)致的分析和地面驗證，演練需要克服重力影響，主要分為水下演練和懸吊演練。

NASA 的中性浮力實驗室(Neutral Buoyancy Laboratory，NBL)包含航天員訓(xùn)練設(shè)施和中性浮力游泳池，位于德克薩斯州休斯頓約翰遜航天中心附近的桑尼˙卡特訓(xùn)練設(shè)施中[40-41]。 俄羅斯、ESA 等航天機(jī)構(gòu)也建造了類似的中性浮力實驗室[42-43]，如位于俄羅斯莫斯科的加加林航天員訓(xùn)練中心( Gagarin Cosmonaut Training Center，GCTC)的中性浮力試驗室，位于德國科隆的歐空局中性浮力實驗室(Neutral Buoyancy Facility，NBF)。 航天員可以在中性浮力實驗室執(zhí)行模擬的EVA 任務(wù)，為即將進(jìn)行的任務(wù)開展訓(xùn)練。 受訓(xùn)人員穿著的訓(xùn)練航天服可以提供中性浮力，以模擬航天員在太空飛行中的微重力環(huán)境。 航天員在水槽中進(jìn)行演練時，所有的維修動作都需在一個1 ∶1 的目標(biāo)模型上反復(fù)模擬操作。 軌道ATK 公司、戈達(dá)德太空飛行中心的Liszka 等設(shè)計了一個防水的手槍型電動工具，外形與在軌使用的PGT的正式版本基本一致，專用于航天員水下訓(xùn)練，并采用不用顏色區(qū)分不同長度的加長桿。 該水下版PGT 工具設(shè)計上的創(chuàng)新點包括使用輕質(zhì)材料(鋁和Delrin?高性能聚甲醛樹脂)制造一個更輕量化的外殼，并對內(nèi)部空間的布局進(jìn)行優(yōu)化與減重設(shè)計。 該工具的另一個創(chuàng)新之處是應(yīng)用了一個水密性的密封裝置，在水下可以可靠地使用長達(dá)6 h，在水中該工具重量為1.1 kg(2.4 lb)[44-45]。圖5 為使用該水下版PGT 開展水下中性浮力訓(xùn)練。

圖5 水下中性浮力訓(xùn)練[45]Fig.5 Underwater neutral buoyancy training[45]

此外，為了使航天員初步熟悉真實的工具使用工況，需使用在軌使用的工具開展地面訓(xùn)練，因PGT 的正式版本自重較重，不利于單手操作，針對地面級功能性測試，采用輔助懸吊抵消重力影響。 NASA 約翰遜航天中心的航天飛機(jī)模型設(shè)施中的主動響應(yīng)式重力卸載系統(tǒng)(Active Response Gravity Offload System，ARGOS)可完成懸吊訓(xùn)練。ARGOS 系統(tǒng)可以讓航天員處于懸空狀態(tài)，并擁有完全的運動自由度，可模擬微重力環(huán)境[46-47]。 圖6 為ESA 英國航天員Timothy Peake 在使用PGT進(jìn)行國際空間站EVA 的ARGOS 訓(xùn)練[48]。

圖6 ESA 英國航天員Timothy Peake 在進(jìn)行國際空間站EVA 的PGT/ARGOS 訓(xùn)練[48]Fig.6 ESA astronaut (UK) Timothy Peake during ISS EVA PGT/ARGOS training[48]

4 手槍型電動工具的難點分析

4.1 設(shè)備功能的完備性與可實現(xiàn)性的協(xié)調(diào)

在軌部署與在軌維修任務(wù)具有一定特殊性，在空間環(huán)境方面，面臨真空、極端溫度、輻射等影響；操作性方面，要滿足航天員著太空服后的可視性、操作便捷性、操作安全性、對航天員的反作用力等；在設(shè)備功能方面，電池長續(xù)航、接口通用性強、適應(yīng)力矩范圍大、輸出力矩精度高、可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍大等。 因此理想的艙外電動工具應(yīng)該具有體積小、質(zhì)量輕、續(xù)航時間長、反作用力小、適應(yīng)力矩范圍大、輸出力矩精度高、可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍大、標(biāo)識清楚、操作便捷簡單、良好的安全性等特點。 但是各個性能要求之間存在相互制約的關(guān)系，例如，在目前的技術(shù)能力下，電池的體積與續(xù)航時間及工具體積成正比，負(fù)載扭矩越大則工具續(xù)航時間越短，體積與質(zhì)量越大則可操縱性越差，輸出力矩較小時難以控制力矩精度，轉(zhuǎn)速越慢則需要的操作時間越長等。 此外，還包括當(dāng)航天員無法手動調(diào)節(jié)參數(shù)時是否支持遙控操作，不同長度及規(guī)格的延長桿的端部力矩是否最優(yōu)化等。 相對于地面電動工具工作的環(huán)境及所需要的性能要求，艙外電動工具的實現(xiàn)難度巨大，NASA 經(jīng)過近50 年的積累，最終形成了適用于國際空間站部署與維修的工具參數(shù)。

4.2 有限防護(hù)條件下的器件在空間環(huán)境下的性能

艙外電動工具內(nèi)對LEO 環(huán)境敏感的主要有電機(jī)、電池和電路板等含電子元件的部件。 目前主流采用的無刷電機(jī)的環(huán)境耐受溫度一般不低于－55 ℃，而低軌實際環(huán)境溫度要低于此溫度，因此在低溫環(huán)境下對內(nèi)部器件的防護(hù)需要特殊設(shè)計。針對低溫區(qū)的極冷環(huán)境，需要采取一定的保溫措施。

電池及電路板上的個別高功率器件在高溫區(qū)長時間運行后，工具本體的產(chǎn)熱與環(huán)境的高溫作用疊加，可能會導(dǎo)致工具過熱故障。 大多數(shù)電子器件均有理論耐受溫度范圍，優(yōu)良的艙外電動工具在有限的體積內(nèi)要滿足極冷極熱環(huán)境下的溫度適應(yīng)性，對關(guān)鍵器件進(jìn)行防護(hù)，同時還要足夠的金屬屏蔽層保證器件不受空間輻射影響。

空間站低地球軌道上的平均太陽熱通量負(fù)荷密度約為1367 W/m2[49]，艙外設(shè)備的暴露外表面在陽照區(qū)時會快速升溫，在陰影區(qū)時會迅速降溫。此外工具內(nèi)部的鋰離子電池和大功率器件在連續(xù)工作一定時間后會產(chǎn)生熱量。 艙外電動工具需要開展熱設(shè)計，從而解決在溫度交變環(huán)境下的正常工作和內(nèi)部大功率器件散熱問題。

為減少太陽熱通量的影響，較為常見的解決方案是在結(jié)構(gòu)外表面增加熱控涂層。 以一種熱控白色涂料為例，太陽吸收率約為0.2，紅外發(fā)射率約為0.7。 此外陽極氧化也是常見的金屬表面處理工藝，如一種陽極氧化表面的太陽吸收率約為0.3，紅外發(fā)射率約為0.5[50]。

要滿足在大溫度變化區(qū)間范圍內(nèi)使用，合理的熱控設(shè)計十分關(guān)鍵。 然而同時實現(xiàn)快速將內(nèi)部功率器件的熱量傳導(dǎo)出去，并保持外部環(huán)境低溫下時內(nèi)部溫度不過低，外部環(huán)境高溫下時內(nèi)部溫度不過高，這幾種極限工況的需求本身互相制約，因此探究合理的溫度平衡區(qū)間十分重要。

無論是在工具的外部采用常規(guī)的多層隔熱組件，還是采用熱控涂層，這些熱控措施不耐受長期多次觸碰，易產(chǎn)生劃痕甚至破損，進(jìn)而影響熱控性能。 因此理想的外表面為具有特定熱控參數(shù)性能的硬質(zhì)材料，具有較高的紅外發(fā)射率和較低的太陽吸收率，且具有一定的耐磨性能，可保持熱控參數(shù)較長時間不因磨損而改變，同時其表面材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，盡量地隔絕外部環(huán)境對工具的影響，從而利用工具內(nèi)部自身的功率器件產(chǎn)熱并快速傳導(dǎo)擴(kuò)散至工具內(nèi)部其他部分，既能在外部低溫環(huán)境下保證內(nèi)部的溫度不會過低，同時也避免個別功率器件產(chǎn)熱過高引起工具故障。

4.3 鋰電池的安全防護(hù)

受限于工具體積，目前艙外電動工具主流的電池組方案采用能量密度較高的鋰離子電池，由于空間環(huán)境溫度可能達(dá)到的低溫和高溫均遠(yuǎn)超過鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間，鋰電池的安全防護(hù)主要分為低溫?zé)峥乇丶案邷責(zé)崾Э胤雷o(hù)2 個層面。 低溫區(qū)的熱控保溫防護(hù)主要為防止電池在過低溫度下產(chǎn)生的容量變低、衰減嚴(yán)重、循環(huán)倍率性能差、析鋰現(xiàn)象明顯、脫嵌鋰不平衡等問題[51]，尤其在出艙后即為低溫區(qū)，且出艙較長一段時間后才開機(jī)工作時，為保證鋰電池組溫度不會過低，需要采取必要的熱控防護(hù)措施，甚至主動熱控措施。

鋰電池在高溫區(qū)環(huán)境下長時間工作后，由于鋰元素的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生電池組熱失控，嚴(yán)重的熱失控甚至產(chǎn)生電池泄露、起火甚至爆炸。 對于電池組件，需設(shè)計合理的電量監(jiān)測，電池單體之間避免產(chǎn)生顯著的壓差，單體之間采用合理的間隔材料傳導(dǎo)消散熱量以及足夠的電池?zé)崾Э匚锢矸雷o(hù)措施，確保在發(fā)生熱失控之后，不會對航天員產(chǎn)生安全影響，避免導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

4.4 運動機(jī)構(gòu)潤滑困難

艙外電動工具內(nèi)一般設(shè)計有減速器、力矩限制器、旋轉(zhuǎn)或直線開關(guān)等運動副，這些運動機(jī)構(gòu)在真空低溫下較長時間不動作，可能產(chǎn)生機(jī)構(gòu)卡滯，目前空間運動機(jī)構(gòu)普遍采用一定的潤滑措施。 傳統(tǒng)的二硫化鉬潤滑涂層容易脫落，在軌長期使用效果較差；油膏狀二硫化鉬潤滑油脂易揮發(fā)，且低溫下增加額外的運動阻尼，降低工具的有效輸出扭矩。 在潤滑措施效果有限的情況下，潤滑措施的有效工作時間與工具的壽命直接正相關(guān)，精確設(shè)計工具中運動機(jī)構(gòu)的運動次數(shù)，可以針對采用的潤滑措施推算出工具的理論壽命。 研究更長壽命的潤滑措施也是艙外電動工具長期在軌安全使用的關(guān)鍵。

4.5 地面試驗驗證困難

開發(fā)一款新式的艙外電動工具需要完成一系列地面驗證試驗。 其中最復(fù)雜的是在模擬熱真空環(huán)境條件下實現(xiàn)螺釘?shù)臄Q緊擰松、速度檔位調(diào)節(jié)、電機(jī)的啟?？刂频葯C(jī)構(gòu)運動，密封殼體內(nèi)各部位的溫度監(jiān)控等試驗。 熱環(huán)境下的機(jī)構(gòu)運動試驗需要設(shè)計專用試驗裝置，并且對于個別的運動工況還需模擬等效微重力下的機(jī)構(gòu)運動，具體試驗參數(shù)的確定和試驗裝置的設(shè)計均較為困難。

為了配合航天員在水下試驗艙開展中性浮力訓(xùn)練，需要開發(fā)水下專用的防水電動工具。 可借鑒現(xiàn)有的商用防水技術(shù)，但是將一款新式的防水電動工具進(jìn)行良好的工程化需要重新考慮較多的因素，如可能涉及的電機(jī)水冷、密封、防腐蝕、防短路等。

5 結(jié)語

本文以哈勃望遠(yuǎn)鏡的第二次維修任務(wù)SM-2中首次使用的手槍型電動工具PGT 為例，介紹了手槍型電動工具的典型模塊化設(shè)計、艙外工具的測試與地面驗證工具與設(shè)施等，并總結(jié)出了手槍型電動工具的研制難點。 目前最為成熟的手槍型電動工具PGT 采用了模塊化設(shè)計，便于工具升級，包括鋰離子電池組、無刷直流電機(jī)動力總成、多級力矩控制器、可編程數(shù)據(jù)輸入輸出接口等模塊，還針對鋰離子電池的熱擴(kuò)散和熱失控開展討論。

未來人類發(fā)展的太空任務(wù)距離地球越來越遙遠(yuǎn)，從月球到火星都可能開展在軌維修任務(wù)。 當(dāng)前技術(shù)條件下，載人航天器相關(guān)的在軌維修操作一般由航天員來完成，然而對于中高軌道乃至深空探測的航天器，人類短期內(nèi)無法到達(dá)，其在軌維修任務(wù)只能由無人維修工具來完成。 相較航天員操作的手持艙外電動工具，無人工具難度更高，除需能夠適應(yīng)可能更惡劣的空間環(huán)境外，機(jī)構(gòu)運動的靈活性在完成絕大多數(shù)任務(wù)上均遠(yuǎn)不如人手靈活，尤其類似串聯(lián)機(jī)械手等機(jī)構(gòu)在微重力下的機(jī)械累積誤差，可能導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu)的末端擺動幅度過大，無法準(zhǔn)確地抓取或者實現(xiàn)某些對位動作。無人在軌維修潛在的對象更為廣泛，可以面向所有航天器，但一般高速飛行的航天器捕獲較為困難，深空探測類航天器的維修還需解決遠(yuǎn)程通訊問題。

無論是由航天員還是由機(jī)器人對航天器進(jìn)行維修，最終涉及到執(zhí)行工具部分的原理都是相同的。 當(dāng)前中國載人航天工程中的艙外電動工具尚處于起步階段，建議開發(fā)該類工具時重點關(guān)注空間環(huán)境防護(hù)、工具熱控設(shè)計、電池管理與熱失控防護(hù)、運動機(jī)構(gòu)潤滑、力矩精確控制等方面，進(jìn)一步亦可考慮開發(fā)智能化、小型化的艙外電動工具，簡化設(shè)計難度，提升操作靈活性，并不斷優(yōu)化以提升工具性能及可靠性，為在軌維修任務(wù)提供高效實用的電動工具。