CN107215487B - 一种载人航天器舱外维修地面模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，包括伺服机构、控制台、真空罐、观察窗、航天服手套和支架导轨，伺服机构包括底座、立柱、滑板和转台。伺服机构的底座固定在支架导轨上，立柱安装在底座上，立柱可以沿真空罐轴向移动；滑板安装在立柱上，滑板可沿铅垂向移动；转台安装在滑板上，转台可沿水平面内垂直于真空罐轴向的方向移动；转台内部安装电机，电机连接转盘，转盘上有十字凹槽，可以固定维修设备模拟件，电机转动带动维修设备模拟件滚转；观察窗和航天服手套设置在真空罐上。本发明可将维修设备模拟件放入真空罐内，在模拟航天服手套内外压差时，同时模拟试验人员与维修设备模拟件任意相对位置，支持载人航天器在轨舱外维修地面试验。

Description

一种载人航天器舱外维修地面模拟系统

技术领域

本发明具体涉及一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，适用于载人航天器舱外维修地面试验，属于载人航天器试验领域。

背景技术

空间站是长期有人在轨居住的航天器，我国正在研制天宫号空间站，设计在轨寿命10年以上，是我国首个长期在轨飞行的大型载人航天器。目前在轨运行的长久性空间站有俄罗斯的和平号空间站、美国为首研制的国际空间站。和平号空间站设计寿命5年，通过在轨维修延寿至15年，国际空间站设计寿命15年，维修可延寿至20年。和平号空间站航天员75％的工作时间用于设备的在轨维修维护，国际空间站航天员日常40％的时间用于开展各类维修维护工作，从2000年至2005年，航天员共进行了4000多小时的维修，平均每天进行约2小时的在轨维修活动，截至2016年，国际空间站已完成384次出舱活动执行空间站舱外设备的维修维护。国外空间站的建造和运行经验表明，在轨维修是延长载人航天器寿命和保障可靠性安全性的必要手段，在轨维修工作中舱外维修活动占比最重。

在轨舱外维修工程验证方法主要包括地面实物验证法和中性浮力水槽试验法。地面实物验证法利用地面的模拟舱体和试验设备搭建维修验证环境，设计人员按照在轨维修操作流程对维修性设计进行验证，该方法可以对维修接口进行匹配性验证，其缺点是地面1g重力环境下无法模拟失重环境下人与设备的相对位置。中性浮力水槽试验法利用中性浮力和人服配重的方法，使航天员在水中所受的向上浮力和向下重力相互抵消，模拟在空间的失重状态，该方法可以使试验人员获得失重直观感受，其缺点是试验人员在水下无法模拟真空环境下手套的内外压差，水存在粘性阻力，使操作试验存在误差，并且水槽试验需设计专门的耐腐蚀试验设备和工具，代价大。因此需研制一套简单方便的载人航天器舱外维修相对位置地面模拟系统。

发明内容

本发明解决的问题是：提供了一种低成本的载人航天器舱外维修地面模拟系统，将在轨维修设备固定在本发明所述的系统上，放入带航天服手套的真空罐内，在模拟航天服手套内外压差条件下，实现试验人员与在轨维修设备任意相对位置的模拟，克服以往在轨舱外维修试验方法在模拟航天服手套内外压差时，无法模拟试验人员与维修设备任意相对位置的不足。

本发明的技术解决方案是：

一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，包括伺服机构、控制台、真空罐、观察窗、航天服手套和支架导轨；

真空罐上设置有观察窗和航天服手套，航天服手套伸入到所述真空罐内部，且与真空罐之间密封连接；支架导轨和伺服机构均位于真空罐内部，支架导轨固定在真空罐底部，伺服机构安装在支架导轨上；维修设备模拟件安装在伺服机构上，在控制台的控制下具有四个运动自由度。

所述四个运动自由度是指真空罐轴向、铅垂向、水平面内垂直于真空罐轴向、滚转。

所述伺服机构包括底座、立柱、滑板和转台；

底座固定在支架导轨上，立柱垂直安装在底座上，且沿真空罐轴向移动；滑板垂直安装在立柱上且滑板沿立柱移动；转台与滑板连接，转台沿滑板移动，维修设备模拟件固定在转台的转盘上。

底座包括底座框架、底座导轨、丝杠和交流伺服电机；

底座框架固定在支架导轨上，两个底座导轨沿真空罐的轴向，平行安装在底座框架上，丝杠和交流伺服电机安装在底座框架内部，丝杠采用螺旋升降机的结构型式，交流伺服电机驱动丝杠转动，进而带动立柱沿底座导轨移动。

立柱包括立柱框架、立柱导轨、滑块、第二交流伺服电机、第二丝杠和螺母座；

两个相互平行的立柱导轨安装在立柱框架上，且立柱导轨的安装方向为铅垂向，立柱框架与底座导轨之间采用滑块连接，通过滑块支撑和限位；螺母座与底座上的丝杠相配合，用于带动立柱沿底座导轨移动；第二交流伺服电机和第二丝杠安装在立柱框架内部，第二交流伺服电机驱动第二丝杠转动，进而带动滑板沿立柱导轨移动。

滑板包括滑板框架、滑板导轨、第二滑块、第三交流伺服电机、第三丝杠和第二螺母座；

滑板框架通过第二滑块安装在立柱导轨上，滑板框架的安装方向与立柱导轨垂直，并且滑板框架的安装方向还垂直于真空罐轴向；在滑板框架上安装有两个相互平行的滑板导轨，滑板导轨与立柱导轨垂直，且两个滑板导轨所在的平面为铅垂面；

第二螺母座与立柱上的第二丝杠相配合，用于带动滑板沿立柱导轨移动；第三交流伺服电机和第三丝杠安装在滑板框架内部，第三交流伺服电机驱动第三丝杠，进而带动转台沿滑板导轨移动。

转台包括转台框架、转盘、第三滑块、第四交流伺服电机和第三螺母座；

转台框架通过第三滑块与滑板导轨连接，转台框架内部安装有第四交流伺服电机，驱动转盘旋转，转盘上设有十字凹槽，凹槽横截面为倒“T”形，用于固定维修设备模拟件；第三螺母座与第三丝杠配合，进而带动转台框架沿滑板导轨移动。

还包括摄像机，安装在真空罐内的顶部。

所述真空罐内部与外部的压力差与航天服手套的内外压差相同。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明通过伺服机构带动维修试验设备移动，可在地面1g环境下模拟在轨维修时航天员与设备之间的相对位置关系，确保试验状态与在轨状态的一致性，提高维修试验结果有效性。

(2)试验过程中，通过控制台手控盒可以实时调整维修试验设备位置，模拟航天员在轨维修大型设备期间不同工作点的维修环境，无需试验人员频繁移动位置，提高了试验的连贯性和试验效率，为大量维修设备试验奠定了基础。

(3)可以结合空间模拟器和航天服手套，模拟舱外操作时手套内外压差，提高维修操作试验准确性，同时试验设备可以使用结构模拟件、质量模拟件等，无需生产水下试验件，降低了成本。

附图说明

图1为本发明地面模拟系统组成示意图；

图2为本发明伺服机构结构示意图；

图3为本发明底座结构示意图；

图4为本发明立柱结构示意图，其中，图4(a)是立柱正视图，图4(b)是立柱立体图；

图5为本发明滑板结构示意图，其中，图5(a)是滑板俯视图，图5(b)是滑板立体图；

图6为本发明转台结构示意图，其中，图6(a)是转台正视图，图6(b)是转台侧视图，图6(c)是转台俯视图；

图7为本发明控制台结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提出了一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，如图1所示，包括伺服机构1、控制台2、真空罐3、观察窗4、航天服手套5和支架导轨6，上述六个部分组成一个模拟系统。

通过模拟系统，将维修设备模拟件7安装在伺服机构1上，并放入真空罐内，降低真空罐3内部压力，使真空罐3内部与外部的压力差与航天服手套5的内外压差相同，并保持真空罐3内部压力稳定，通过该方法可以模拟航天员在太空执行舱外维修任务时航天服手套对维修操作的影响，从而提高地面试验的准确性；同时通过控制台2驱动伺服机构1，带动维修设备模拟件7移动，模拟试验人员与维修设备模拟件任意相对位置，通过该方法可以验证舱外航天员与维修设备之间的相对位置是否支持维修操作，从而优化设备布局。

真空罐3上设置有观察窗4和航天服手套5，航天服手套5伸入到所述真空罐3内部，且与真空罐3之间密封连接；地面试验时，试验人员将双手伸入航天服手套5内，通过航天服手套5操作维修设备模拟件7，同时通过观察窗4观察对维修操作过程进行观察；支架导轨6和伺服机构1均位于真空罐3内部，支架导轨6固定在真空罐3底部，伺服机构1安装在支架导轨6上；维修设备模拟件7安装在伺服机构1上，在控制台2的控制下具有四个运动自由度。

四个运动自由度是指真空罐3轴向、铅垂向、水平面内垂直于真空罐3轴向、滚转。如图2所示，Y方向即是真空罐3轴向，Z方向即是铅垂向，X方向即是水平面内垂直于真空罐3轴向的方向；X方向、Y方向和Z方向两两垂直，且满足右手定律。

如图2所示，所述伺服机构1包括底座11、立柱12、滑板13和转台14；底座11固定在支架导轨6上，立柱12垂直安装在底座11上，且沿真空罐3轴向移动；滑板13垂直安装在立柱12上且滑板13沿立柱12移动；转台14与滑板13连接，转台14沿滑板13移动，维修设备模拟件7固定在转台14的转盘上，转盘可以沿自身中心轴转动，从而带动维修设备模拟件7滚转。

如图3所示，底座11包括底座框架111、底座导轨112、丝杠113和交流伺服电机114；

底座框架111固定在支架导轨6上，底座框架111采用内凹形结构，凹陷空间用于安装丝杠113和交流伺服电机114，两个底座导轨112沿真空罐3的轴向，平行安装在底座框架111上，用于支撑和限位立柱12沿导轨方向移动，丝杠113和交流伺服电机114安装在底座框架111内部，且垂直高度均低于底座导轨112，避免立柱运动过程中与丝杠113和交流伺服电机114发生碰撞和卡滞，丝杠113采用螺旋升降机的结构型式，交流伺服电机114驱动丝杠113转动，进而带动立柱12沿底座导轨112移动，交流伺服电机114带抱闸功能，移动距离连续可调，且可保持在任意位置。

如图4(a)、4(b)所示，立柱12包括立柱框架121、立柱导轨122、滑块123、第二交流伺服电机124、第二丝杠125和螺母座126；

立柱框架121采用直角三角形加强结构，确保立柱结构刚度能够承载滑板13、转台14和维修设备模拟件7的重量，立柱框架121镂空降低重量，两个相互平行的立柱导轨122安装在立柱框架121上，且立柱导轨122的安装方向为铅垂向，用于限位滑板13沿铅垂向移动；立柱框架121与底座导轨112之间采用滑块123连接，通过滑块123支撑和限位；螺母座126与底座11上的丝杠113相配合，底座11上的交流伺服电机114转动，带动丝杠113转动，丝杠113上的螺纹驱动螺母座126移动，从而带动立柱12沿底座导轨112移动；第二交流伺服电机124和第二丝杠125安装在立柱框架121内部，第二交流伺服电机124有抱闸功能，第二交流伺服电机124驱动第二丝杠125转动，进而带动滑板13沿立柱导轨122移动。

如图5(a)、5(b)所示，滑板13包括滑板框架131、滑板导轨132、第二滑块133、第三交流伺服电机134、第三丝杠135和第二螺母座136；

滑板框架131通过第二滑块133安装在立柱导轨122上，滑板框架131的安装方向与立柱导轨122垂直，并且滑板框架131的安装方向还垂直于真空罐3轴向，滑板框架131可沿立柱导轨122移动；在滑板框架131上安装有两个相互平行的滑板导轨132，滑板导轨132与立柱导轨122垂直，且两个滑板导轨132所在的平面为铅垂面，滑板导轨132用于限位转台14；

第二螺母座136与立柱12上的第二丝杠125相配合，立柱12上的交流伺服电机124转动，带动丝杠125转动，丝杠125上的螺纹驱动螺母座136移动，从而带动滑板13沿立柱导轨122移动，交流伺服电机124抱闸，则螺母座136停止移动，从而滑板13停止移动，并保持在停止的位置；第三交流伺服电机134和第三丝杠135安装在滑板框架131内部，第三交流伺服电机134有抱闸功能，第三交流伺服电机134驱动第三丝杠135，进而带动转台14沿滑板导轨132移动。

如图6(a)、6(b)、6(c)所示，转台14包括转台框架141、转盘142、第三滑块143、第四交流伺服电机144和第三螺母座145；

转台框架141通过第三滑块143与滑板导轨132连接，转台框架141内部安装有第四交流伺服电机144，驱动转盘142旋转，转盘142上设有十字凹槽，凹槽横截面为倒“T”形，用于固定维修设备模拟件7，转盘142转动，则带动维修设备模拟件7滚转；第三螺母座145与第三丝杠135配合，进而带动转台框架141沿滑板导轨132移动。

如图1所示，本发明还包括摄像机9，安装在真空罐3内的顶部，可以拍摄地面试验过程，用于试验结果分析。

所述真空罐3内部与外部的压力差与航天服手套5的内外压差相同，真空罐3内部压力可以根据不同航天服的设计指标进行调整。

如图1和图7所示，控制台2包括手控盒21、键盘22、鼠标23、显示屏24、急停按钮25和电控箱26，电控箱26内包括电源、测控计算机以及功率放大驱动部分；控制台2放置在真空罐3附近，便于试验过程中临时调整伺服机构1，试验人员可以使用手控盒21、键盘22、鼠标23等各种输入设备控制伺服机构1。

工作原理：

舱外维修地面试验时，需要将本系统伺服机构1和维修设备模拟件7共同放入真空罐3中。首先将伺服机构1固定在真空罐3内部的支架导轨6上，固定时需根据试验件尺寸适当调整伺服机构1的位置，确保试验过程中伺服机构1的部件运动不会碰撞真空罐3；安装控制台电缆8，启动控制台2，利用手控盒21控制伺服机构1运动，确保伺服机构1工作正常；将维修设备模拟件7和工装组合体安装到转盘142上；安装航天服手套5，启动摄像机9，确保摄像机9工作正常，关闭真空罐3的大门，，降低真空罐3内部压力到指定压力；试验人员进入工位，双手伸入航天服手套5，试验辅助人员调整伺服机构1，使设备位置和姿态与在轨状态一致，试验操作人员通过航天服手套5和观察窗4对维修设备进行操作试验；辅助人员记录试验过程和试验结果。

实施例：

如图1所示，真空罐3采用圆柱形卧式结构，主体材料为0Cr18Ni9Ti，内径为2000mm，直段长2000mm；真空罐3设计有两个大门，一侧大门上留有试验人员维修操作用的操作大法兰，大法兰尺寸为直径1000mm，大法兰安装两个航天服手套5和一个观察窗4，航天服手套5的操作孔的直径为200mm，间距400mm，观察窗4中心与2个航天服手套操作孔中心连线的垂直距离为280mm，试验人员通过观察窗4可以看到整个操作界面，真空罐3内安装2根导轨，间距700mm，导轨承重1.2T。

伺服机构1，铅垂向行程300mm，真空罐轴向行程1200mm，水平面内垂直于真空罐轴向行程800mm，移动速度0.3～1.5m/min，滚转方向角度行程-360°～+360°，转速1r/min，精度0.5°。

对3种载人航天器舱外维修设备进行试验，试验结果如表1所示，试验结果表明该系统能够模拟舱外航天服手套压差，且模拟的内外压差可调，同时模拟不同的相对位置，试验无需生产水下试验件，降低了成本。

表1

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (8)

1.一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，其特征在于：包括伺服机构(1)、控制台(2)、真空罐(3)、观察窗(4)、航天服手套(5)和支架导轨(6)；

真空罐(3)上设置有观察窗(4)和航天服手套(5)，航天服手套(5)伸入到所述真空罐(3)内部，且与真空罐(3)之间密封连接；支架导轨(6)和伺服机构(1)均位于真空罐(3)内部，支架导轨(6)固定在真空罐(3)底部，伺服机构(1)安装在支架导轨(6)上；维修设备模拟件(7)安装在伺服机构(1)上，在控制台(2)的控制下具有四个运动自由度；

所述伺服机构(1)包括底座(11)、立柱(12)、滑板(13)和转台(14)；

底座(11)固定在支架导轨(6)上，立柱(12)垂直安装在底座(11)上，且沿真空罐(3)轴向移动；滑板(13)垂直安装在立柱(12)上且滑板(13)沿立柱(12)移动；转台(14)与滑板(13)连接，转台(14)沿滑板(13)移动，维修设备模拟件(7)固定在转台(14)的转盘上；

航天服手套(5)的操作孔的直径为200mm，间距400mm，观察窗(4)中心与两个航天服手套(5)操作孔中心连线的垂直距离为280mm。

2.根据权利要求1所述的一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，其特征在于：所述四个运动自由度是指真空罐(3)轴向、铅垂向、水平面内垂直于真空罐(3)轴向、滚转。

3.根据权利要求1所述的一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，其特征在于：底座(11)包括底座框架(111)、底座导轨(112)、丝杠(113)和交流伺服电机(114)；

底座框架(111)固定在支架导轨(6)上，两个底座导轨(112)沿真空罐(3)的轴向，平行安装在底座框架(111)上，丝杠(113)和交流伺服电机(114)安装在底座框架(111)内部，丝杠(113)采用螺旋升降机的结构型式，交流伺服电机(114)驱动丝杠(113)转动，进而带动立柱(12)沿底座导轨(112)移动。

4.根据权利要求3所述的一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，其特征在于：立柱(12)包括立柱框架(121)、立柱导轨(122)、滑块(123)、第二交流伺服电机(124)、第二丝杠(125)和螺母座(126)；

两个相互平行的立柱导轨(122)安装在立柱框架(121)上，且立柱导轨(122)的安装方向为铅垂向，立柱框架(121)与底座导轨(112)之间采用滑块(123)连接，通过滑块(123)支撑和限位；螺母座(126)与底座(11)上的丝杠(113)相配合，用于带动立柱(12)沿底座导轨(112)移动；第二交流伺服电机(124)和第二丝杠(125)安装在立柱框架(121)内部，第二交流伺服电机(124)驱动第二丝杠(125)转动，进而带动滑板(13)沿立柱导轨(122)移动。

5.根据权利要求4所述的一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，其特征在于：滑板(13)包括滑板框架(131)、滑板导轨(132)、第二滑块(133)、第三交流伺服电机(134)、第三丝杠(135)和第二螺母座(136)；

滑板框架(131)通过第二滑块(133)安装在立柱导轨(122)上，滑板框架(131)的安装方向与立柱导轨(122)垂直，并且滑板框架(131)的安装方向还垂直于真空罐(3)轴向；在滑板框架(131)上安装有两个相互平行的滑板导轨(132)，滑板导轨(132)与立柱导轨(122)垂直，且两个滑板导轨(132)所在的平面为铅垂面；

第二螺母座(136)与立柱(12)上的第二丝杠(125)相配合，用于带动滑板(13)沿立柱导轨(122)移动；第三交流伺服电机(134)和第三丝杠(135)安装在滑板框架(131)内部，第三交流伺服电机(134)驱动第三丝杠(135)，进而带动转台(14)沿滑板导轨(132)移动。

6.根据权利要求5所述的一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，其特征在于：转台(14)包括转台框架(141)、转盘(142)、第三滑块(143)、第四交流伺服电机(144)和第三螺母座(145)；

转台框架(141)通过第三滑块(143)与滑板导轨(132)连接，转台框架(141)内部安装有第四交流伺服电机(144)，驱动转盘(142)旋转，转盘(142)上设有十字凹槽，凹槽横截面为倒“T”形，用于固定维修设备模拟件(7)；第三螺母座(145)与第三丝杠(135)配合，进而带动转台框架(141)沿滑板导轨(132)移动。

7.根据权利要求1或2所述的一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，其特征在于：还包括摄像机(9)，安装在真空罐(3)内的顶部。

8.根据权利要求1或2所述的一种载人航天器舱外维修地面模拟系统，其特征在于：所述真空罐(3)内部与外部的压力差与航天服手套(5)的内外压差相同。