CN110963082B - 一种用于载人航天器的窗口组件结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于载人航天器的窗口组件结构，其特征在于包括观察窗口组件、保护窗口组件；观察窗口组件安装在载人航天器舱体内侧安装面上，用于航天员观察外部空间；保护窗口组件安装在载人航天器舱体外侧安装面上，用于保护观察窗口组件。本发明观察窗口组件和保护窗口组件分别螺接在舱体内外两侧，结构形式各自独立，安装在舱体外侧的保护窗口组件，可以有效保护观察玻璃免受微流星和空间碎片的损害，由于进行了在轨更换设计，当其自身受损影响航天员观察时，航天员可出舱单独拆下更换保护窗口组件，不会对窗口组件的观察性能造成影响。

Description

一种用于载人航天器的窗口组件结构

技术领域

本发明涉及一种用于载人航天器的窗口组件结构，适用于载人航天器需要航天员由密封舱内对外部环境进行观察的场合，属于载人航天器结构领域。

背景技术

我国已成功发射的载人航天器在轨时间均较短，航天员均随航天器发射上行，在轨完成任务后便会随返回舱先行返回地面，在航天器内驻留时间较短(神十一航天员在轨33天)，设计的观察窗口组件密封性能和透光性能只需满足短期内的观察任务，无需考虑长期在轨条件下恶劣的空间环境及空间碎片和微流星对观察窗口组件的损害。

随着中国空间站等长期载人太空任务的开展，对长寿命高可靠性窗口组件的需求也更加急迫。中国空间站设计在轨寿命长达15年，在轨期间航天员需要在密封舱内通过窗口对外部空间环境进行观察，观察窗口的透光率需要满足全寿命周期的观察要求，空间站轨道上，存在原子氧、紫外辐照、带电粒子辐照等空间环境，对一些特殊材料造成了很大的影响，设计时需要充分考虑复杂的空间环境。同时观察窗口还应具备免受空间碎片和微流星损害的功能。由于是载人航天器，长时间的在轨工作，需要长期承受内压载荷，窗口结构自身及与舱体的连接环节均需要可靠的密封环节设计，因此需要设计一种满足长寿命及高可靠性要求的窗口组件。

专利《航空器用舷窗密封结构》(CN201710353836.3)提供了一种密封结构形式，但其舷窗框为复合材料，对于长期暴露在恶劣空间环境及热交变环境下的载人航天器，在密封环节引入复合材料需要谨慎；其次，其结构形式为对内外层玻璃均进行打孔再用螺钉穿过进行连接，目前国内外航天器主流使用的观察玻璃都是无机硅酸盐脆性材料，具有高强度低韧性的特点，打孔相当于预置裂纹，螺钉的预紧力集中作用在内层玻璃的开孔附近，在长期内压及集中应力的共同作用下，裂纹有扩展的可能性，同时，该种结构形式无自身检漏设计，自身的密封性能不可测，该结构形式也不具备抵御空间碎片和微流星损坏的能力，轻则影响观察，严重则直接影响航天器安全性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种长寿命高可靠性密封窗口组件结构，适用于需要长期在轨并承受稳定内压、具备目视观察功能需求的航天器结构。

本发明解决技术的方案是：一种用于载人航天器的窗口组件结构，该窗口组件结构包括观察窗口组件、保护窗口组件；

观察窗口组件安装在载人航天器舱体内侧安装面上，用于航天员观察外部空间；

保护窗口组件安装在载人航天器舱体外侧安装面上，用于保护观察窗口组件。

所述观察窗口组件包括观察窗口框、第一矩形密封圈、第二矩形密封圈、第一观察玻璃、第二观察玻璃、第一L形密封圈、第二L形密封圈、第一观察窗口压环、第二观察窗口压环、第四矩形密封圈；其中：

以观察窗口框为对称中心，在观察窗口框的一侧，依次安装第一矩形密封圈、第一观察玻璃、第一L形密封圈和第一观察窗口压环，在观察窗口框的另一侧，依次安装第二矩形密封圈、第二观察玻璃、第二L形密封圈和第二观察窗口压环；

第一矩形密封圈与第二矩形密封圈相对于观察窗口框对称布置；

第一观察玻璃与第二观察玻璃相对于观察窗口框对称布置；

第一L形密封圈与第二L形密封圈相对于观察窗口框对称布置；

第一观察窗口压环与第二观察窗口压环相对于观察窗口框对称布置；

第四矩形密封圈布置在观察窗口框与载人航天器舱体内侧安装面之间。

第一观察窗口压环、第二观察窗口压环通过均布的螺钉安装在观察窗口框安装面上，将使第一矩形密封圈、第一L形密封圈、第二矩形密封圈、第二L 形密封圈变形，完成观察窗口组件自身的密封环境；观察窗口组件通过观察窗口框周向均布的螺钉安装在载人航天器舱体内侧安装面上，将使第四矩形密封圈变形，完成舱体的密封环境。

所述观察窗口框、第一观察窗口压环、第二观察窗口压环为金属结构。

所述观察窗口框上设有检漏通道，所述检漏通道将第一观察玻璃与第二观察玻璃之间的空腔与检漏设备相连通，空腔与舱体内侧通过第一观察玻璃、第一矩形密封圈、第一L形密封圈隔离，空腔与舱体外侧通过第二观察玻璃、第二矩形密封圈及第二L形密封圈隔离，对空腔进行检漏保证观察窗口组件自身的密封环境。

所述保护窗口组件包括保护窗口底座、保护玻璃、保护窗口压环、第三矩形密封圈、第三L形密封圈；其中：

保护窗口底座安装在载人航天器舱体外侧安装面上，第三矩形密封圈位于保护窗口底座与保护玻璃之间，第三L形密封圈位于保护玻璃与保护窗口压环之间，保护窗口压环通过螺钉安装在保护窗口底座上，使第三矩形密封圈和第三L形密封圈变形，完成装配。

所述第一矩形密封圈、第二矩形密封圈、第三矩形密封圈、第一L形密封圈、第二L形密封圈、第三L形密封圈和第四矩形密封圈采用硅橡胶制成特定形状。

所述保护窗口底座上设置有防漂浮装置，防漂浮装置内部设有Ω形卡簧，密封舱舱外螺接防漂浮定位销，防漂浮装置内部的Ω形卡簧与已螺接在舱外的防漂浮定位销实现导向固定。

所述第一观察玻璃、第二观察玻璃、保护玻璃为热增强钢化处理耐辐照玻璃。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明观察窗口组件和保护窗口组件分别螺接在舱体内外两侧，结构形式各自独立，安装在舱体外侧的保护窗口组件，可以有效保护观察玻璃免受微流星和空间碎片的损害，由于进行了在轨更换设计，当其自身受损影响航天员观察时，航天员可出舱单独拆下更换保护窗口组件，不会对窗口组件的观察性能造成影响。

(2)、本发明矩形密封圈和L形密封圈的分体式搭配既便于窗口组件的装配，同时通过密封冗余设计，双道密封环节提高了密封性能，完全满足空间站15年在轨期间的密封要求；

(3)、本发明观察玻璃与保护玻璃与各自两侧柔性密封圈整体接触，避免脆性玻璃与金属法兰直接接触；同时通过密封圈对玻璃压紧固定，无需对玻璃材料开孔固定，避免应力集中；

(4)、本发明观察窗口组件两道观察玻璃之间设有检漏通道，在组件状态下即可对窗口组件自身密封性能进行检漏。

(5)、本发明通过玻璃热增强钢化处理在玻璃表面预设压应力提高耐辐照玻璃强度，观察窗口组件的金属框体和双层观察玻璃结构完全可以承受寿命周期的各种载荷；

(6)、本发明完全结构化的设计，避免了因采用机构而引进动密封环节，减少对系统资源的需求，降低了设计的复杂性，具有结构简单，拆装方便，可靠性高等特点。

附图说明

图1为本发明所述的窗口组件结构示意图；

图2为本发明所述的观察窗口组件和保护窗口组件示意图；

图3为本发明所述的观察窗口组件和保护窗口组件安装到舱体上示意图；

图4为本发明所述的保护窗口组件安装在舱体上示意图；

图5为本发明所述的防漂浮装置工作原理示意图。

图中：1观察窗口框，2-1第一观察玻璃，2-2第二观察玻璃，3-1第一矩形密封圈，3-2第二矩形密封圈，3-3第三矩形密封圈，4-1第一L形密封圈4-2，第二L形密封圈，4-3第三L形密封圈，5-1第一观察窗口压环，5-2 第二观察窗口压环，6第四矩形密封圈，7保护窗口底座，8保护玻璃，9 保护窗口压环，10防漂浮定位销，11不脱出螺钉。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种用于载人航天器的长寿命高可靠性窗口组件结构，由观察窗口组件和保护窗口组件两部分组成。观察窗口组件和保护窗口组件分别螺接在舱体内外两侧，结构形式各自独立，具体为：

观察窗口组件安装在载人航天器舱体内侧安装面上，主要负责观察和密封功能，用于航天员观察外部空间；

保护窗口组件安装在载人航天器舱体外侧安装面上，主要负责防护功能，用于保护观察窗口组件。

如图1、图2、图3所示，该窗口组件结构包括观察窗口框1、第一观察玻璃2-1、第二观察玻璃2-2、第一矩形密封圈3-1、第二矩形密封圈3-2、第三矩形密封圈3-3、第一L形密封圈4-1、第二L形密封圈4-2、第三L形密封圈 4-3、第一观察窗口压环5-1、第二观察窗口压环5-2、第四矩形密封圈6、保护窗口底座7、保护玻璃8、保护窗口压环9、防漂浮定位销10和不脱出螺钉 11。其中，观察窗口框1、第一观察窗口压环5-1、第二观察窗口压环5-2、保护窗口底座7和保护窗口压环9为金属结构。

所述观察窗口组件包括观察窗口框1、第一矩形密封圈3-1、第二矩形密封圈3-2、第一观察玻璃2-1、第二观察玻璃2-2、第一L形密封圈4-1、第二L 形密封圈4-2、第一观察窗口压环5-1、第二观测窗口压环5-2、第四矩形密封圈6；其中：

以观察窗口框1为对称中心，在观察窗口框1的一侧，依次安装第一矩形密封圈3-1、第一观察玻璃2-1、第一L形密封圈4-1和第一观察窗口压环5-1，在观察窗口框1的另一侧，依次安装第二矩形密封圈3-2、第二观察玻璃2-2、第二L形密封圈4-2和第二观察窗口压环5-2；

第一矩形密封圈3-1与第二矩形密封圈3-2相对于观察窗口框1对称布置；

第一观察玻璃2-1与第二观察玻璃2-2相对于观察窗口框1对称布置；

第一L形密封圈4-1与第二L形密封圈4-2相对于观察窗口框1对称布置；

第一观察窗口压环5-1与第二观察窗口压环5-2相对于观察窗口框1对称布置；

第四矩形密封圈6布置在观察窗口框1与载人航天器舱体内侧安装面之间。

具体安装方式为：

观察窗口框1与两侧的第一观察窗口压环5-1和第二观察窗口压环5-2分别通过6个均布螺钉进行连接，观察窗口框1与第一观察窗口压环5-1和第二观察窗口压环5-2之间安装有第一观察玻璃2-1和第二观察玻璃2-2，第一观察玻璃2-1和第二观察玻璃2-2与观察窗口框1之间安装有第一矩形密封圈3-1 和第二矩形密封圈3-2，与第一观察窗口压环5-1和第二观察窗口压环5-2之间安装有第一L形密封圈4-1和第二L形密封圈4-2，装配成观察窗口组件后，用螺钉通过观察窗口框1周向的12个均布的螺孔将第三矩形密封圈3-3压实在观察窗口框1的密封槽与密封舱舱内安装面之间。

第一观察窗口压环5-1、第二观察窗口压环5-2通过均布的沉头螺钉至少6 个直接安装在观察窗口框1安装面上，将使第一矩形密封圈3-1、第一L形密封圈4-1、第二矩形密封圈3-2、第二L形密封圈4-2变形，完成观察窗口组件自身的密封环境；观察窗口组件通过观察窗口框1周向均布的螺钉至少12个安装在载人航天器舱体内侧安装面上，将使第四矩形密封圈6变形，完成舱体的密封环境。

观察窗口框1两侧安装的观察玻璃之间设有检漏通道用于检测观察窗口组件结构自身的密封性能，保证其结构自身的密封性能，并可承受内压载荷。

所述检漏通道将第一观察玻璃2-1与第二观察玻璃2-2之间的空腔与检漏设备相连通，空腔与舱体内侧通过第一观察玻璃2-1、第一矩形密封圈3-1、第一L形密封圈4-1隔离，空腔与舱体外侧通过第二观察玻璃2-2、第二矩形密封圈3-2及第二L形密封圈4-2隔离，对空腔进行检漏保证观察窗口组件自身的密封环境。

如图4所示，保护窗口组件包括保护窗口底座7、保护玻璃8、保护窗口压环9、第三矩形密封圈3-3、第三L形密封圈4-3；其中：

保护窗口底座7安装在载人航天器舱体外侧安装面上，第三矩形密封圈3-3 位于保护窗口底座7与保护玻璃8之间，第三L形密封圈4-3位于保护玻璃8 与保护窗口压环9之间，保护窗口压环9通过螺钉紧固在保护窗口底座7上，使第三矩形密封圈3-3和第三L形密封圈4-3变形，完成装配。具体为：

保护玻璃8与保护窗口底座7之间安装有第三矩形密封圈3-3，与保护窗口压环9之间安装有第三L形密封圈4-3，最后保护窗口底座7与保护窗口压环9通过6个均布沉头螺钉直接连接，第三矩形密封圈3-3、保护玻璃8和第三L形密封圈4-3固定在两者之间，完成保护窗口组件的装配。

如图5所示，所述保护窗口底座7上设置有防漂浮装置，防漂浮装置内部设有Ω形卡簧，密封舱舱外螺接防漂浮定位销10，通过防漂浮装置与已螺接在舱外的防漂浮定位销10的导向配合，将装配体贴合在舱外的安装面上，最后通过已安装在保护窗口底座7周向的6个均布的不脱出螺钉11将保护窗口组件安装在舱体外侧安装面上。

保护窗口组件通过防漂浮定位销10及不脱出螺钉11提供在轨更换维护的功能，从而保证观察窗口在航天器寿命周期内观察使用要求。

观察窗口框1、保护窗口底座7和防漂浮定位销10分别螺接在密封舱舱体上。

第一观察玻璃2-1、第二观察玻璃2-2和保护玻璃8两侧均通过密封圈压紧，结构连接均在金属件之间进行，不需对玻璃进行打孔操作，保证了其完整性。

所述第一矩形密封圈3-1、第二矩形密封圈3-2、第三矩形密封圈3-3、第一L形密封圈4-1、第二L形密封圈4-2、第三L形密封圈4-3和第四矩形密封圈6采用特殊硅橡胶制成特定形状。

所述第一观察玻璃2-1、第二观察玻璃2-2、保护玻璃8为热增强钢化处理耐辐照玻璃。

本发明所提供的一种长寿命高可靠性窗口组件结构，适合于载人航天器需要航天员由舱内对外部环境进行观察的场合，具备如下优点：

(1)、第一观察玻璃2-1和第二观察玻璃2-2两侧分别仅与第一矩形密封圈3-1、第二矩形密封圈3-2、第一L形密封圈4-1和第二L形密封圈4-2接触，通过沉头螺钉作用于第一观察窗口压环5-1和第二观察窗口压环5-2使密封圈变形，完成观察窗口组件自身的密封环境；矩形密封圈和L形密封圈的分体式组合便于窗口组件的地面装配；

(2)两块观察玻璃两侧分别有与矩形密封圈和L形密封圈压紧实现密封，通过密封冗余设计，提高了载人航天器的密封性和可靠性；

(3)、观察窗口框两侧安装的第一观察玻璃2-1和第二观察玻璃2-2之间设有检漏通道，用于检测观察窗口组件自身的密封性能；

(4)、保护窗口组件避免观察玻璃受到空间碎片和微流星的损害，并通过防漂浮定位销10和不脱出螺钉11提供保护窗口组件在轨更换维护的功能，保证观察窗口在航天器寿命周期内满足使用要求。

(5)、第一观察玻璃2-1、第二观察玻璃2-2和保护玻璃8两侧均通过密封圈环向整体压紧，避免脆性玻璃与金属结构直接接触，结构连接均在金属件之间进行，不需对玻璃进行打孔操作；

以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化和修改，这并不影响本发明的实质内容，在不冲突的情况下，本发明的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于载人航天器的窗口组件结构，其特征在于包括观察窗口组件、保护窗口组件；

观察窗口组件安装在载人航天器舱体内侧安装面上，用于航天员观察外部空间；

保护窗口组件安装在载人航天器舱体外侧安装面上，用于保护观察窗口组件；

所述观察窗口组件包括观察窗口框(1)、第一矩形密封圈(3-1)、第二矩形密封圈(3-2)、第一观察玻璃(2-1)、第二观察玻璃(2-2)、第一L形密封圈(4-1)、第二L形密封圈(4-2)、第一观察窗口压环(5-1)、第二观察窗口压环(5-2)、第四矩形密封圈(6)；其中：

以观察窗口框(1)为对称中心，在观察窗口框(1)的一侧，依次安装第一矩形密封圈(3-1)、第一观察玻璃(2-1)、第一L形密封圈(4-1)和第一观察窗口压环(5-1)，在观察窗口框(1)的另一侧，依次安装第二矩形密封圈(3-2)、第二观察玻璃(2-2)、第二L形密封圈(4-2)和第二观察窗口压环(5-2)；

第一矩形密封圈(3-1)与第二矩形密封圈(3-2)相对于观察窗口框(1)对称布置；

第一观察玻璃(2-1)、第二观察玻璃(2-2)相对于观察窗口框(1)对称布置；

第一L形密封圈(4-1)与第二L形密封圈(4-2)相对于观察窗口框(1)对称布置；

第一观察窗口压环(5-1)、第二观察窗口压环(5-2)相对于观察窗口框(1)对称布置；

第四矩形密封圈(6)布置在观察窗口框(1)与载人航天器舱体内侧安装面之间；

所述观察窗口框(1)上设有检漏通道，所述检漏通道将第一观察玻璃(2-1)与第二观察玻璃(2-2)之间的空腔与检漏设备相连通，空腔与舱体内侧通过第一观察玻璃(2-1)、第一矩形密封圈(3-1)、第一L形密封圈(4-1)隔离，空腔与舱体外侧通过第二观察玻璃(2-2)、第一矩形密封圈(3-1)及第二L形密封圈(4-2)隔离，对空腔进行检漏保证观察窗口组件自身的密封情况。

2.根据权利要求1所述的一种用于载人航天器的窗口组件结构，其特征在于第一观察窗口压环(5-1)、第二观察窗口压环(5-2)通过均布的螺钉安装在观察窗口框(1)安装面上，将使第一矩形密封圈(3-1)、第一L形密封圈(4-1)、第二矩形密封圈(3-2)、第二L形密封圈(4-2)变形，完成观察窗口组件自身的密封环境；观察窗口组件通过观察窗口框(1)周向均布的螺钉安装在载人航天器舱体内侧安装面上，将使第四矩形密封圈(6)变形，完成舱体的密封环境。

3.根据权利要求1所述的一种用于载人航天器的窗口组件结构，其特征在于所述观察窗口框(1)、第一观察窗口压环(5-1)、第二观察窗口压环(5-2)为金属结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于载人航天器的窗口组件结构，其特征在于所述保护窗口组件包括保护窗口底座(7)、保护玻璃(8)、保护窗口压环(9)、第三矩形密封圈(3-3)、第三L形密封圈(4-3)；其中：

保护窗口底座(7)安装在载人航天器舱体外侧安装面上，第三矩形密封圈(3-3)位于保护窗口底座(7)与保护玻璃(8)之间，第三L形密封圈(4-3)位于保护玻璃(8)与保护窗口压环(9)之间，保护窗口压环(9)通过螺钉安装在保护窗口底座(7)上，使第三矩形密封圈(3-3)和第三L形密封圈(4-3)变形，完成装配。

5.根据权利要求1所述的一种用于载人航天器的窗口组件结构，其特征在于所述第一矩形密封圈(3-1)、第二矩形密封圈(3-2)、第三矩形密封圈(3-3)、第一L形密封圈(4-1)、第二L形密封圈(4-2)、第三L形密封圈(4-3)和第四矩形密封圈(6)采用硅橡胶制成特定形状。

6.根据权利要求4所述的一种用于载人航天器的窗口组件结构，其特征在于所述保护窗口底座(7)上设置有防漂浮装置，防漂浮装置内部设置有Ω形卡簧，密封舱舱外螺接防漂浮定位销(10)，防漂浮装置内部的Ω形卡簧与已螺接在舱外的防漂浮定位销(10)进行导向固定。

7.根据权利要求1所述的一种用于载人航天器的窗口组件结构，其特征在于所述第一观察玻璃(2-1)、第二观察玻璃(2-2)、保护玻璃(8)为热增强钢化处理耐辐照玻璃。

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