孟 瑤，柏合民，韓 艷，楊 旋，季逸民，劉婳婳，張 元

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

0 引言

周建平［1］對(duì)空間站在軌需求進(jìn)行了闡述，空間站作為國(guó)家大型在軌實(shí)驗(yàn)室，承擔(dān)較多空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)，也帶來(lái)了大量的艙內(nèi)外貨物交互需求。施金苗等［2］指出依靠航天員出艙實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外貨物交互的方法，存在質(zhì)量、尺寸、任務(wù)執(zhí)行頻次、航天員出艙風(fēng)險(xiǎn)控制等多方面的約束。GU，GAO 等［3-4］闡述了中國(guó)空間站未來(lái)在軌開展試驗(yàn)的情況，其中艙外試驗(yàn)的占比較大，如何提高空間站的利用效率成為亟待解決的問(wèn)題。

貨物進(jìn)出艙功能是提高空間站艙內(nèi)外貨物運(yùn)輸能力、降低航天員出艙風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)重要功能，國(guó)內(nèi)外均對(duì)此開展了大量的研究，取得了較多成果。孟瑤［5］對(duì)貨物進(jìn)出艙任務(wù)的工作流程、泄復(fù)壓方案、進(jìn)出艙模式等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。GB/T 42178—2022 空間站氣閘艙進(jìn)出貨物接口要求［6］對(duì)進(jìn)出艙貨物接口進(jìn)行了明確規(guī)定，保證了貨物進(jìn)出艙任務(wù)的順利實(shí)施。樓俏等［7］提出貨物氣閘艙構(gòu)型方案，對(duì)艙內(nèi)載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、外艙門等設(shè)備的安裝位置，安裝形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。張飛龍等［8］設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)調(diào)整的地面設(shè)備，在地面模擬載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在軌受到的載荷，為載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)提供較為真實(shí)的等效空間載荷。氣體復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用可有效減少密封艙內(nèi)氣體資源的損失，因此氣體復(fù)用技術(shù)對(duì)空間站長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要作用。MARMOLEJO、施曉毅，曹軍等［9-11］對(duì)氣體復(fù)用帶來(lái)的收益展開分析，對(duì)4.25 m3的氣閘艙，在常溫下將101 kPa 的空氣全部排放到外太空可造成約5.5 kg 的資源浪費(fèi)，如執(zhí)行10 次出艙活動(dòng)，每次回收60%的氣體，則可節(jié)約近33 kg 的氣體，是很可觀的一部分氣體資源。施曉毅等［10］從環(huán)境的真實(shí)性、包羅性、經(jīng)濟(jì)性、可實(shí)現(xiàn)性和產(chǎn)品的適應(yīng)性出發(fā)，設(shè)計(jì)并給出地面可實(shí)現(xiàn)、較為經(jīng)濟(jì)合理的泄復(fù)壓環(huán)境試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件。曹軍等［11］對(duì)載人航天器氣閘艙氣體復(fù)用技術(shù)現(xiàn)狀及展望提出了氣體復(fù)用的實(shí)現(xiàn)及地面驗(yàn)證方法。曹軍［12］調(diào)研了“國(guó)際空間站”氣體復(fù)用技術(shù)，對(duì)氣體復(fù)用系統(tǒng)組成、硬件設(shè)計(jì)及性能進(jìn)行了闡述，分析了氣體復(fù)用技術(shù)對(duì)試驗(yàn)條件的影響性。武巖等［13］介紹了空間站、航天飛機(jī)上氣閘艙及其艙門的大小和尺寸。例如，航天飛機(jī)上用于宇航員出入的艙門呈D 字形，直徑為1 m。文獻(xiàn)［19］提出了一種有效提高艙門剛度，抑制其大變形的立筋。張濤濤等［14］提出了艙門與艙體的一體化設(shè)計(jì)方案，可有效提高艙門的密封性能及結(jié)構(gòu)的安全性。劉志全等［15］提出了艙門的可靠性試驗(yàn)方法，包括試驗(yàn)方法選擇、試驗(yàn)件狀態(tài)及試驗(yàn)條件的確定、試驗(yàn)程序、故障判據(jù)和可靠性評(píng)估方法。希望號(hào)手冊(cè)［16-18］對(duì)目前國(guó)際空間站的希望號(hào)艙段，采用貨物氣閘的方案展開介紹，主要闡述了國(guó)際空間站貨物氣閘艙功能、利用滑臺(tái)轉(zhuǎn)移貨物、方案的實(shí)現(xiàn)方式及貨物氣閘艙的實(shí)用價(jià)值。

空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙平臺(tái)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了貨物進(jìn)出艙功能，提高了中國(guó)空間站整站艙內(nèi)外貨物交互能力，降低了航天員出艙頻率，進(jìn)而減少出艙風(fēng)險(xiǎn)。

1 貨物進(jìn)出艙功能方案概述

考慮到貨物進(jìn)出艙的氣體復(fù)用、貨物轉(zhuǎn)移等需求，中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙貨物進(jìn)出艙系統(tǒng)主要涉及貨物氣閘艙、載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、內(nèi)艙門、外艙門及1 套可以實(shí)現(xiàn)氣體復(fù)用的泄復(fù)壓系統(tǒng)，具體情況如圖1 所示。

圖1 貨物氣閘艙Fig.1 Sketch map of the cargo airlock module

整個(gè)貨物進(jìn)出艙功能方案涉及貨物進(jìn)艙方案和貨物出艙方案2 大部分。

1.1 貨物出艙方案

貨物出艙時(shí)，航天員需先將出艙貨物安裝至載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，并關(guān)閉內(nèi)艙門再進(jìn)行貨物氣閘艙氣體復(fù)用和泄壓；泄壓完成后，打開外艙門將載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸出艙外，并運(yùn)用機(jī)械臂將出艙載荷抓取值目標(biāo)位置；最后，靳宗向等［20］設(shè)計(jì)的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)縮回張濤濤等［21］所述的貨物氣閘艙內(nèi)并關(guān)閉外艙門，完成貨物氣閘艙復(fù)壓。具體流程如圖2 所示。

圖2 貨物出艙流程Fig.2 Diagram of the cargo ingress procedure

1.2 貨物進(jìn)艙方案

貨物進(jìn)艙時(shí)，航天員需先將進(jìn)艙貨物的相關(guān)工裝安裝至載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，并關(guān)閉內(nèi)艙門；再進(jìn)行貨物氣閘艙氣體復(fù)用和泄壓；泄壓完成后，打開外艙門將載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸出艙外，并運(yùn)用機(jī)械臂將需要進(jìn)艙的貨物安裝至工裝上；最后，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)縮回貨物氣閘艙內(nèi)，并關(guān)閉外艙門，完成貨物氣閘艙復(fù)壓。具體流程如圖3 所示。

圖3 貨物進(jìn)艙流程Fig.3 Diagram of the cargo egress procedure

2 地面驗(yàn)證情況

載荷進(jìn)出艙任務(wù)流程復(fù)雜，利用單一試驗(yàn)開展全流程驗(yàn)證工作存在一定難度。因此，針對(duì)載荷進(jìn)出艙任務(wù)特點(diǎn)，空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙采用分步驟驗(yàn)證的方法，分別對(duì)載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)功能、泄復(fù)壓功能及外艙門開關(guān)關(guān)鍵子功能進(jìn)行了地面試驗(yàn)驗(yàn)證，具體情況如下。

2.1 貨物轉(zhuǎn)運(yùn)功能地面試驗(yàn)情況

貨物轉(zhuǎn)運(yùn)功能實(shí)現(xiàn)貨物在艙內(nèi)外的轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)，主要由載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)執(zhí)行。載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)具備伸縮、旋轉(zhuǎn)、位置調(diào)整等功能。通過(guò)其伸縮功能實(shí)現(xiàn)貨物直線方向運(yùn)動(dòng)；通過(guò)旋轉(zhuǎn)功能改變載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸縮方向朝向；通過(guò)調(diào)整機(jī)構(gòu)提高對(duì)不同尺寸載荷的適應(yīng)能力。載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸縮方向運(yùn)動(dòng)距離為1 800 mm，旋轉(zhuǎn)方向在0°～90°之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，位置調(diào)成功能可以實(shí)現(xiàn)0～500 mm 之間的多擋位調(diào)整。

考慮貨物轉(zhuǎn)運(yùn)在軌實(shí)際的使用溫度、微重力及載荷環(huán)境，該功能的地面試驗(yàn)主要包括載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)和溫度驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1.1 載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)主要驗(yàn)證其動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間、精度等情況。開展試驗(yàn)時(shí)，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)采用平放的方式，減小重力載荷對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響。整個(gè)試驗(yàn)包括載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)、伸縮及載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)中的調(diào)整機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)指標(biāo)要求及地面驗(yàn)證情況Tab.1 Index requirements and ground verification results of the payload transfer mechanism

2.1.2 載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)溫度試驗(yàn)

載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸出方向?yàn)閴?mèng)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)地方向，熱控的加熱起控溫度為0 ℃，在軌最低溫度出現(xiàn)在空間站出影前、載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸出艙外的工況下。此時(shí)，該機(jī)構(gòu)直接暴露在空間環(huán)境中，熱量來(lái)源除自身設(shè)備發(fā)熱外，主要為空間熱輻射?？紤]空間站特性及載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式，利用夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙熱平衡試驗(yàn)，在熱真空罐內(nèi)模擬空間真空環(huán)境和在軌溫度環(huán)境，對(duì)載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在軌溫度進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在軌最低溫度不低于3 ℃，滿足所設(shè)計(jì)的最低許用溫度指標(biāo)，同時(shí)未達(dá)到載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)熱控的起控溫度。

2.2 氣體復(fù)用、泄壓和復(fù)壓功能的地面驗(yàn)證情況

氣體泄壓、復(fù)壓和復(fù)用功能主要實(shí)現(xiàn)貨物進(jìn)出艙時(shí)，氣壓環(huán)境從空間站艙內(nèi)環(huán)境到艙外環(huán)境的轉(zhuǎn)變，并減少貨物出艙任務(wù)期間氣體損耗。貨物進(jìn)出艙任務(wù)期間泄壓分為氣體復(fù)用和泄壓2 個(gè)過(guò)程。氣體復(fù)用過(guò)程要求復(fù)用時(shí)間不超過(guò)30 min，氣體復(fù)用率不小于70%，復(fù)用后貨物氣閘艙內(nèi)殘余壓力不超過(guò)25.0 kPa。完成氣體復(fù)用后開始泄壓，時(shí)間不超過(guò)20 min，泄壓后艙內(nèi)殘余壓力不超過(guò)0.3 kPa。復(fù)壓任務(wù)分為2 個(gè)部分，共4個(gè)階段開展：載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)從艙外回到貨物氣閘艙內(nèi)后先進(jìn)行回溫；溫度升高至-5 ℃后進(jìn)行第1 次復(fù)壓，復(fù)壓至30.0 kPa；然后進(jìn)行第2 次回溫；當(dāng)溫度升高至12 ℃以上后進(jìn)行第2 次復(fù)壓，直至與空間站艙內(nèi)壓差不超過(guò)0.3 kPa。

針對(duì)泄壓、復(fù)壓及氣體復(fù)用功能，對(duì)氣壓控制能力及氣體復(fù)用能力進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在熱真空罐中依據(jù)在軌實(shí)際流程，按先復(fù)用再泄壓最后復(fù)壓的流程開展。試驗(yàn)時(shí)，工作艙初始總壓及貨物氣閘艙初始總壓分別設(shè)置為92.2 kPa 和90.4 kPa，真空罐內(nèi)初始總壓設(shè)置為1.5×10-4Pa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

2.2.1 氣體復(fù)用及泄壓試驗(yàn)

完成初始狀態(tài)設(shè)置后，開始?xì)怏w復(fù)用及泄壓試驗(yàn)。氣體復(fù)用過(guò)程中貨物氣閘艙總壓下降65.4～24.9 kPa，工作艙總壓上升6.4～98.6 kPa，氣體復(fù)用率不低于73%，復(fù)用期間耗時(shí)17 min；泄壓過(guò)程中貨物氣閘艙總壓從24.6 kPa 下降至300.0 Pa，泄壓耗時(shí)約17 min，氣體復(fù)用及泄壓功能正常。

2.2.2 氣體復(fù)壓試驗(yàn)

氣體復(fù)壓試驗(yàn)分為2 階段開展，復(fù)壓開始時(shí)，工作艙總壓為98.5 kPa、貨物氣閘艙總壓為390.0 Pa。第1 階段貨物氣閘艙艙壓上升至30.5 kPa，工作艙艙壓下降至95.5 kPa，復(fù)壓耗時(shí)約6 min，復(fù)壓速率約5.2 kPa/min；第2 階段貨物氣閘艙艙壓上升至89.6 kPa，工作艙艙壓下降至90.0 kPa，復(fù)壓耗時(shí)約18 min，復(fù)壓速率約3.0 kPa/min，氣體復(fù)壓功能正常。

2.3 外艙門功能地面驗(yàn)證情況

外艙門功能主要實(shí)現(xiàn)貨物進(jìn)出艙期間的通道開閉及貨物氣閘艙的密封。外艙門采用了電動(dòng)滑移至的開關(guān)方案，安裝于貨物氣閘艙I 象限，往II 象限方向滑移打開，艙門通道近似為方形，有效通徑為1 230 mm×1 250 mm，弧門邊角處倒圓半徑不大于R150 mm。

地面主要針對(duì)其開關(guān)功能及密封性開展驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，采用熱真空罐模擬空間環(huán)境，真空度為1.5×10-4Pa；考慮地面重力影響，采用艙門直立的狀態(tài)開展試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 艙門指標(biāo)要求及地面驗(yàn)證情況Tab.2 Index requirements and ground verification results of the hatch

3 在軌驗(yàn)證情況

空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射入軌并形成空間站三艙組合體后，執(zhí)行立方星釋放在軌專項(xiàng)驗(yàn)證和6 次在軌出艙任務(wù)，通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)下行及地面監(jiān)視計(jì)時(shí)的方法，測(cè)得所涉及到的關(guān)鍵子功能在軌驗(yàn)證情況（遙測(cè)數(shù)據(jù)的采樣采用了向下取整的方式）。

3.1 貨物轉(zhuǎn)運(yùn)功能在軌驗(yàn)證情況

貨物轉(zhuǎn)運(yùn)功能指標(biāo)在軌實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表3。

表3 載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)指標(biāo)在軌實(shí)測(cè)情況Tab.3 In-orbit verification results of the payload transfer mechanism

由表3 可知，貨物轉(zhuǎn)運(yùn)功能在軌工作正常，各項(xiàng)指標(biāo)與地面測(cè)試結(jié)果相比一致性好，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)溫度情況符合預(yù)期。

3.2 氣體復(fù)用、泄壓、復(fù)壓功能在軌驗(yàn)證情況

氣體復(fù)用、泄壓和復(fù)壓功能指標(biāo)在軌實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表4 所示。

表4 氣體復(fù)用、泄壓、復(fù)壓功能指標(biāo)在軌實(shí)測(cè)情況Tab.4 In-orbit verification results of the air reuse，pressure relief，and repressurization function indices

由表4 可知，氣體復(fù)用、泄壓和復(fù)壓功能在軌工作正常，各項(xiàng)指標(biāo)與地面測(cè)試結(jié)果對(duì)比，一致性較好。在軌實(shí)驗(yàn)中，氣體復(fù)用過(guò)程結(jié)束時(shí)，貨物氣閘艙氣壓為25 kPa 并開始泄壓；泄壓完成后貨物氣閘艙余壓為300 Pa。貨物出艙完畢后第1 次復(fù)壓后，貨物氣閘艙氣壓為30 kPa；第2 次復(fù)壓后工作艙與貨物氣閘艙氣壓平衡。

3.3 外艙門功能在軌驗(yàn)證情況

外艙門功能指標(biāo)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證情況見(jiàn)表5。

表5 外艙門指標(biāo)在軌實(shí)測(cè)情況Tab.5 In-orbit verification results of the outer hatch

由表5 可知，外艙門功能在軌工作正常，各項(xiàng)指標(biāo)與地面測(cè)試結(jié)果對(duì)比，一致性較好。

3.4 結(jié)果分析

從地面試驗(yàn)驗(yàn)證和在軌試驗(yàn)驗(yàn)證情況分析可知，天地測(cè)試的數(shù)據(jù)的一致性良好，貨物進(jìn)出艙功能及其重要子功能設(shè)計(jì)合理，不僅可完成貨物進(jìn)出艙的在軌任務(wù)，同時(shí)可保證在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性；證明地面測(cè)試方法有效，貨物進(jìn)出艙功能對(duì)不同環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙貨物進(jìn)功能任務(wù)主要子功能的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證情況。其中，地面試驗(yàn)驗(yàn)證采用分步驟驗(yàn)證的方法，在軌試驗(yàn)采用遙測(cè)下行和地面實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)的方法，監(jiān)測(cè)驗(yàn)證結(jié)果。從試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可得出以下結(jié)論。

1）空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙貨物進(jìn)出艙功能及其重要子功能設(shè)計(jì)合理。

2）空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙貨物進(jìn)出艙功能及其重要子功能相關(guān)產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

3）空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙貨物進(jìn)出艙功能地面試驗(yàn)驗(yàn)證方法有效，貨物進(jìn)出艙功能對(duì)不同環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

4）空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙貨物進(jìn)出艙功能正常，可在軌完成貨物進(jìn)出艙任務(wù)。