CN107244429B - 一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，包括真空容器大门、操作平台、观察窗、容器支撑鞍座、左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套；操作平台通过法兰安装在真空容器大门中部，观察窗安装在操作平台上，操作平台上开有左手安装口、右手安装口，左手安装口、右手安装口关于操作平台轴线对称且位于观察窗下方；左手舱外航天服手套密封安装在左手安装口，右手舱外航天服手套密封安装在右手安装口；真空容器大门安装在容器支撑鞍座上，通过容器支撑鞍座调整真空容器大门的高度。本发明为在地面环境下模拟航天员使用舱外航天服在轨舱外维修操作提供真实模拟。

Description

一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置

技术领域

本发明涉及一种舱外在轨维修人服特性模拟装置，尤其是涉及一种在地面环境下可提供航天员在轨开展维修操作特性模拟的装置。

背景技术

空间站是有人驻留的长期在轨运行航天器，寿命要求一般在10年以上，国外空间站应用在轨维修更换技术，在后勤资源保障的条件下，实现空间站长期在轨运行，并在此基础上开展进一步的延寿工作。从国外空间站的建造和运行经验来看，运行在轨维修维护是保证空间站长期在轨运行的必要手段，舱外维修维护作业在所有已完成的维修维护工作中占有更大的比重。

截至目前为止，空间实验室是我国在轨寿命最长的载人航天器，实际在轨寿命4.5年，尚无在轨寿命10年以上的大型载人航天器的设计经验。作为保障空间站在轨正常运行的关键措施，在轨维修维护操作，尤其是舱外设备的在轨维修维护面临众多不确定因素。密封舱舱外真空、冷黑、光照、温度、设备状态及舱外航天服特性对设备和操作人员都会产生影响，地面缺乏完整、系统的验证手段。

虽然前期载人航天器地面验证试验的经验可供参考借鉴，但是由于验证环境的差别，将现有技术运用于舱外在轨维修，可能产生如下问题：

1.舱外维修操作时身着舱外航天服，无法准确识别操作位置；

2.无法在空间冷黑环境下开展维修操作验证。

因此，不能简单地直接应用原有的试验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有试验装置的不足，提供一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，本发明结合真空舱可为在地面环境下模拟航天员使用舱外航天服在轨舱外维修操作提供真实模拟，可操作性强，节省成本。

本发明所采用的技术方案是：一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，包括真空容器大门、操作平台、观察窗、容器支撑鞍座、左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套；操作平台通过法兰安装在真空容器大门中部，观察窗安装在操作平台上，操作平台上开有左手安装口、右手安装口，左手安装口、右手安装口关于操作平台轴线对称且位于观察窗下方；左手舱外航天服手套密封安装在左手安装口，右手舱外航天服手套密封安装在右手安装口；真空容器大门安装在容器支撑鞍座上，通过容器支撑鞍座调整真空容器大门的高度。

还包括左手安装法兰、右手安装法兰、手套密封圈、卡箍、法兰盖板；手套密封圈分别套在左手安装法兰、右手安装法兰的套筒结构上；左手舱外航天服手套套在左手安装法兰的套筒结构上，右手舱外航天服手套套在右手安装法兰的套筒结构上，卡箍压紧手套密封圈实现左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套边缘的密封；左手安装法兰、右手安装法兰分别穿过左手安装口、右手安装口，左手安装法兰、右手安装法兰的法兰盘卡在左手安装口、右手安装口边缘的环形安装凸台上，法兰盖板分别与左手安装口、右手安装口边缘的环形安装凸台配合，压紧左手安装法兰、右手安装法兰的法兰盘。

所述左手安装法兰的法兰盘与左手安装口的环形安装凸台之间或右手安装法兰的法兰盘与右手安装口的环形安装凸台之间安装法兰密封圈。

所述左手安装法兰或右手安装法兰的法兰盘与法兰盖板之间安装法兰密封圈。

所述手套密封圈或法兰密封圈的材料为26-41氟橡胶。

所述观察窗中间为透明的玻璃材料。

还包括真空容器大门把手、摄像设备，真空容器大门把手、摄像设备安装在真空容器大门上，摄像设备用于记录左手舱外航天服手套、右手舱外航天服手套的操作过程。

所述左手安装口、右手安装口中心的连线与过观察窗中心的对称轴垂直，左手安装口、右手安装口的中心间距为400mm；观察窗中心与左手安装口、右手安装口中心连线的垂直距离为280mm。

所述左手安装口、右手安装口的中心连线距离地面高度的取值范围为1400mm～1600mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明适用于国内载人航天器舱外设备在轨维修的地面试验，装置使用简便、快捷。本发明的人服特性模拟装置由左手舱外航天服手套和右手舱外航天服手套两只组成，分别安装在端面的左右两边，解决了操作人员双手协同操作的问题。同时，舱外航天服手套与安装端面的安装法兰可旋转，解决了操作人员双手自由度首先，而无法覆盖全部操作区域的问题。左、右手舱外航天服手套安装间距适应于航天员在轨身着舱外航天服的实际约束条件限制。

(2)本发明的安装端面在舱外航天服安装接口的上面配有观察窗，既可用于人员操作时从不同角度对被操作对象进行观察，又可用于通过摄像设备记录操作全过程。观察窗与试验操作人员的相对位置满足在轨实际操作时的位置要求，且观察窗的位置可从左、右两侧同时进行摄像记录，符合实际在轨操作时两名航天员协同操作的真实下行图像，便于地面试验支持人员观察试验进展，同时可为航天员在轨操作时的位置提供参考。

(3)本发明采用法兰盘连接方式将舱外航天服手套与安装端面连接，并将安装端面与大门进行一体化设计，提高了舱外服手套安装、更换的便捷度，可适用于不同尺寸的真空容器。采用转接密封装置直接与安装法兰连接，提高了密封容器的漏率水平。

附图说明

图1为本发明的人服特性模拟装置安装示意图(主视图)；

图2为本发明的人服特性模拟装置安装示意图(俯视图)；

图3为舱外航天服手套与安装法兰连接装置示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，包括：真空容器大门把手1、真空容器大门2、操作平台3、观察窗4、左手安装口5、右手安装口6、容器支撑鞍座7、左手舱外航天服手套9、右手舱外航天服手套10；真空容器大门把手1焊接在真空容器大门2上；操作平台3通过法兰安装在真空容器大门2中部；观察窗4通过法兰安装在操作平台3上，中间为可供观察的玻璃材料；操作平台3上开有左手安装口5、右手安装口6，左手安装口5、右手安装口6关于操作平台3轴线对称且位于观察窗4下方，左手安装口5、右手安装口6边缘有环形的安装凸台；左手安装口5连接左手安装法兰12；右手安装口6连接右手安装法兰11；左手舱外航天服手套9、右手舱外航天服手套10通过卡箍14分别与左手安装法兰12、右手安装法兰11连接；真空容器大门2通过焊接连接容器支撑鞍座7，容器支撑鞍座7通过鞍座连接螺栓8与地面支撑装置连接。焊接采用与真空容器大门相同的材料，并使用相适应的焊材及焊接工艺。外表面碳钢部分做防腐处理，用防锈漆打底，统一喷漆。

如图1所示，真空容器大门2外径为φ2400mm，覆盖现有载人航天器舱外设备在轨维修地面试验的尺寸要求，可保证进行维修试验时操作人员可与被操作对象接触，可与标准真空容器连接匹配，制造材料选用0Cr18Ni9Ti不锈钢，为增强密封性能，对所有密封面进行抛光处理，粗糙度保证在1.6～0.8；操作法兰3直径φ950～1000mm，为舱外航天服手套和观察窗提供法兰安装面；左手安装口5、右手安装口6内径均为φ200mm，中心处于同一水平线，中心间距400mm，满足操作人员双手协同操作的要求，同时减少舱外服手套在试验过程中的干涉问题；观察窗4内径φ220～240mm，中心与左手安装口5、右手安装口6中心连线的垂直距离280mm，符合航天员实际在轨操作时的身体活动限制和视野约束，中间安装可透可见光和红外光的玻璃；经过容器支撑鞍座7垫高，左手安装口5、右手安装口6的中心连线距离地面高度的取值范围为1400mm～1600mm；观察窗4、左手安装口5、右手安装口6的相对位置符合人体工效学要求，与身着舱外航天服时观察窗与双手操作相对位置一致，能够模拟航天员执行舱外在轨维修任务时的身体约束条件。

如图2所示，试验时，将真空容器大门2与真空容器相连，保证密封性能；真空容器减压，使内外差压达到40kPa，与舱外航天服内部工作压力保持一致；试验人员通过左手安装口5、右手安装口6将双手伸入左手舱外航天服手套9、右手舱外航天服手套10，根据维修任务要求完成相应操作，操作期间试验人员通过观察窗4进行观察，同时可通过观察窗4使用摄像设备对试验过程进行记录。观察窗4为DN250×20mm，材料为有机玻璃，通过粘接材料进行密封，粘接材料有一定的弹性，可以适应不同温度环境条件下材料变形的差异，保证系统密封性能。

如图3所示，左手舱外航天服手套9、右手舱外航天服手套10分别通过卡箍14被压紧在左手安装法兰12、右手安装法兰11上的手套密封圈13上，密封圈13为26-41氟橡胶密封材料；法兰盖板15将左手安装法兰12、右手安装法兰11的法兰盘分别压紧在左手安装口5、右手安装口6边缘的环形安装凸台上，并沿周向分布的螺钉将法兰盖板15分别与左手安装口5、右手安装口6的环形安装凸台固定连接；左手安装法兰12的法兰盘与左手安装口5的安装凸台之间，右手安装法兰11的法兰盘与右手安装口6的安装凸台之间，左手安装法兰12、右手安装法兰11的法兰盘与法兰盖板15之间通过法兰密封圈16、17实现密封，法兰密封圈16、17为26-41氟橡胶密封材料。

舱外航天服手套9、10的初始安装位置可调，密封连接之后既可以保证舱外航天服具有所有自由度的运动能力，又能够通过26-41氟橡胶密封材料保证1.3×10^-3Pa条件下满足0.2～0.4L/min的漏率指标要求。左手安装口5、右手安装口6和法兰盖板15的材料选用0Cr18Ni9Ti不锈钢，耐腐蚀、耐热、出气率低，有良好的冷变低温韧性等工艺性能。为减小总放气量，左手安装口5、右手安装口6和法兰盖板15端面进行抛光处理，粗糙度保证在1.6～0.8。所有密封连接法兰均通过氦质谱检漏，漏率小于1×10^-7PaL/s。法兰连接时，安装面的水平或垂直偏差不大于0.2mm。凡被支座、垫板、加强筋圈等覆盖的焊缝均应打磨至与母材平齐。内表面经彻底清洗油污，达到真空卫生要求，可与真空装置连接。

本发明的人服特性模拟装置安装步骤如下：

(1)将手套密封圈13分别套在左手安装法兰12、右手安装法兰11上；

(2)将舱外航天服手套9、10分别套在左手安装法兰12、右手安装法兰11上；

(3)将卡箍14分别套在手套密封圈13位置处，拧紧卡箍14的锁紧螺钉，将手套密封圈13压紧，从而压紧舱外航天服手套9、10边缘；

(4)将法兰密封圈16、17分别安装至左手安装口5、右手安装口6上的密封沟槽中；

(5)将舱外航天服手套9、10分别穿过左手安装口5、右手安装口6及操作平台3，使得左手安装法兰12、右手安装法兰11分别卡在左手安装口5、右手安装口6边缘的环形安装凸台上；

(6)将法兰密封圈16、17安装至法兰盖板15上的密封沟槽中；使用法兰盖板15压紧分别左手安装法兰12、右手安装法兰11，对齐螺纹孔后使用螺钉拧紧。

在试验过程中，首先，对真空容器进行漏率测试，满足地面试验全过程压差保持要求；通过真空容器减压，使真空容器大门2内外压差保持40kPa；试验操作人员调整手臂与左手安装口5、右手安装口6的位置；试验操作人员使用左手舱外航天服手套9、右手舱外航天服手套10，在40kPa压差条件下对被操作对象进行维修操作，期间可通过观察窗4进行观察或录像；试验完成后，真空容器复压至试验环境正常大气压，真空容器大门2与真空容器分离，分别拆下左手安装法兰12、右手安装法兰11。

以上所描述的试验步骤只是本发明的一种典型工况，本领域技术人员可根据不同的试验验证需求在不偏离本发明的情况下进行适应性的改进或更改，因此，本发明是广泛的。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，其特征在于：包括真空容器大门(2)、操作平台(3)、观察窗(4)、容器支撑鞍座(7)、左手舱外航天服手套(9)、右手舱外航天服手套(10)；操作平台(3)通过法兰安装在真空容器大门(2)中部，观察窗(4)安装在操作平台(3)上，操作平台(3)上开有左手安装口(5)、右手安装口(6)，左手安装口(5)、右手安装口(6)关于操作平台(3)轴线对称且位于观察窗(4)下方；左手舱外航天服手套(9)密封安装在左手安装口(5)，右手舱外航天服手套(10)密封安装在右手安装口(6)；真空容器大门(2)安装在容器支撑鞍座(7)上，通过容器支撑鞍座(7)调整真空容器大门(2)的高度；

还包括左手安装法兰(12)、右手安装法兰(11)、手套密封圈(13)、卡箍(14)、法兰盖板(15)；手套密封圈(13)分别套在左手安装法兰(12)、右手安装法兰(11)的套筒结构上；左手舱外航天服手套(9)套在左手安装法兰(12)的套筒结构上，右手舱外航天服手套(10)套在右手安装法兰(11)的套筒结构上，卡箍(14)压紧手套密封圈(13)实现左手舱外航天服手套(9)、右手舱外航天服手套(10)边缘的密封；左手安装法兰(12)、右手安装法兰(11)分别穿过左手安装口(5)、右手安装口(6)，左手安装法兰(12)、右手安装法兰(11)的法兰盘卡在左手安装口(5)、右手安装口(6)边缘的环形安装凸台上，法兰盖板(15)分别与左手安装口(5)、右手安装口(6)边缘的环形安装凸台配合，压紧左手安装法兰(12)、右手安装法兰(11)的法兰盘。

2.根据权利要求1所述的一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，其特征在于：所述左手安装法兰(12)的法兰盘与左手安装口(5)的环形安装凸台之间或右手安装法兰(11)的法兰盘与右手安装口(6)的环形安装凸台之间安装法兰密封圈(16、17)。

3.根据权利要求2所述的一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，其特征在于：所述左手安装法兰(12)或右手安装法兰(11)的法兰盘与法兰盖板(15)之间安装法兰密封圈(16、17)。

4.根据权利要求3所述的一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，其特征在于：所述手套密封圈(13)或法兰密封圈(16、17)的材料为26-41氟橡胶。

5.根据权利要求1或2所述的一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，其特征在于：所述观察窗(4)中间为透明的玻璃材料。

6.根据权利要求1或2所述的一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，其特征在于：还包括真空容器大门把手(1)、摄像设备，真空容器大门把手(1)、摄像设备安装在真空容器大门(2)上，摄像设备用于记录左手舱外航天服手套(9)、右手舱外航天服手套(10)的操作过程。

7.根据权利要求1或2所述的一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，其特征在于：所述左手安装口(5)、右手安装口(6)中心的连线与过观察窗(4)中心的对称轴垂直，左手安装口(5)、右手安装口(6)的中心间距为400mm；观察窗(4)中心与左手安装口(5)、右手安装口(6)中心连线的垂直距离为280mm。

8.根据权利要求7所述的一种航天器舱外在轨维修人服特性模拟装置，其特征在于：所述左手安装口(5)、右手安装口(6)的中心连线距离地面高度的取值范围为1400mm～1600mm。