航天器电动手动一体化舱门锁紧机构设计

钱海鲲，沈晓鹏，张崇峰

（1.上海宇航系统工程研究所，上海 201109；2.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海 201109；3.上海航天技术研究院，上海 201109）

0 引言

舱门是航天员出入航天器的通道，同时也是保障密封舱密封的重要组成部分，以提供航天员安全的生存环境［1］。航天员在空间失重环境中，身着宇航服难以从事复杂动作，能施加的操作力较小。目前，我国舱门机构主要用于载人飞船和货运飞船，舱门机构操作方式为手动，航天员需在双脚固定的条件下操作，费时费力。根据舱门的任务需求，舱门包括结构单元、机构单元和控制单元三个部分。其中：结构单元包括门框、门体、把手、密封圈和均压阀；机构单元包括翻转和锁紧机构；控制单元包括传感器、控制器和操控面板。航天器舱门设计的关键是机构单元。研究表明，舱门机构的锁紧、解锁、驱动，以及密封技术是关键技术。采用大通径、手动兼电动舱门机构是航天器舱门机构设计的趋势［2］。文献［3］电动兼手动舱门技术方案仅能在舱内实现舱门电动启动，在舱内和舱外手动操作，但电动手电切换装置采用多套电磁离合器吸合与断开实现，结构复杂，功耗大。为减轻航天员负担，正常情况下舱门采用电机驱动实现锁紧和解锁，故障或需紧急开关舱门情况下，航天员可通过切换工作模式手动实现锁紧和解锁，手动操作为电动工作模式的备份，本文对一种新型舱门锁紧机构设计进行了研究。

1 舱门机构方案

1.1 锁紧执行机构

1.1.1 布局

一般舱门机构锁紧主要有中心式和周边式压紧两种方式。因中心式锁紧方案需将压紧机构布局在中间，故在需要形成通道的舱门机构中很少采用。本舱门机构锁紧方案采用周边式布局方案，不仅利于减小门内外压差对机构部件变形的影响，而且可利用中间位置布置观察窗或其他部件。为在通道口均匀产生压紧力，锁紧执行机构通常在舱门上均布多个压紧点。压紧点过少，密封性能差，一般不少于6个，但压紧点不宜过多，否则机构复杂且重量大。根据综合通道直径和机构构型，选择压紧点8个，通过滚轮架与压紧支架作用实现，如图1所示。8个压紧点设计的密封效果优于文献［3］的6个压紧点设计。锁紧过程如下：锁紧驱动机构通过中间齿轮正向驱动扇形齿轮转动，扇形齿轮带动左连杆运动，左连杆带动滚轮架1定轴转动并依次传递动力至滚轮架8，滚轮架上滚轮运动至门框上压紧支架中，使滚轮产生压力压紧门体。解锁过程则相反，通过锁紧驱动机构带动右连杆运动，右连杆带动滚轮架8转动并将动力依次传递至滚轮架1，通过滚轮架转出压紧支架，释放门体。

图1 锁紧执行机构布局Fig.1 Layout of lock actuator

1.1.2 自由度

锁紧机构为平面机构，其自由度

式中：D为机构自由度；N为构件总数（包括机架1个）；P4，P5分别为4，5级副的总数［4］。因锁紧驱动机构功能独立，运动确定，不计入构件总数，则构件总数为20个，其中5级副（此处为转动副）28个，无4级副，则锁紧过程中机构自由度D1＝3×19－2×28－0＝1，可知锁紧过程运动确定。

同理可得解锁过程中机构自由度D2＝3×19－2×28－0＝1，解锁过程运动确定。

1.1.3 压紧原理

压紧支架型面设计为导向面、过渡面和压紧面三段。导向面用于引导滚轮进入支架，压紧面用于保持滚轮压紧状态，过渡面连接两者使其平缓过渡，防止压紧载荷突变。滚轮架带动滚轮滚入压紧支架过程中，通过滚轮与压紧支架、门体的相互作用产生压紧力将密封圈压紧，如图2所示。与文献［3］锁块压紧方式相比，其优点有：滚动压紧阻力小于锁块的滑动压紧阻力，所需驱动力矩小；文献［3］方案在锁紧状态下，锁块受到径向力，传动机构和驱动机构受力较大，本文方案的压紧面与门体平行，压紧状态下滚轮不受侧向力，保持压紧时锁紧执行机构和锁紧驱动机构受力良好。

图2 压紧原理Fig.2 Principle of compaction

1.2 锁紧驱动机构

锁紧驱动机构可在舱内电动工作或手动操作以及舱外电动工作或手动操作驱动。正常情况下由电机驱动，电动故障及紧急情况下由航天员手动操作。电动驱动由航天员通过操控面板起动电机完成，手动操作通过转动手柄完成。锁紧驱动机构组成如图3所示。

1.2.1 舱门锁紧状态

当舱门处于锁紧状态时，滑动杆在复位弹簧1、2的作用下处于穿舱轴的中间。滑动齿轮连接于滑动杆上，可相对穿舱轴滑动，滑动齿轮同时与蜗轮齿轮啮合。穿舱轴齿轮与中间齿轮啮合，并通过扇形齿轮与连杆、滚轮架形成传动链路。由于蜗轮蜗杆的自锁作用，滚轮架将保持锁紧位置。

1.2.2 电动驱动

图3 锁紧驱动机构组成Fig.3 Composition of lock driver

操控面板为航天员提供操作界面，用于航天员电动操作和监控舱门状态。当航天员通过按钮起动电机后，动力经电机传递至行星减速器，再由行星减速器传给蜗轮蜗杆副、穿舱轴、中间齿轮、扇形齿轮，最终通过左右连杆传递给滚轮架，完成锁紧和解锁动作。穿舱轴密封圈用于穿舱轴转动时的动密封。

1.2.3 手动驱动

当需要进行手动驱动时，航天员在舱内或舱外将手柄上的方形结构对准穿舱轴的方形孔结构，插入穿舱轴。插入过程中，穿舱轴将滑动杆推至另外一侧，安装于滑动杆上的滑动齿轮与蜗轮齿轮脱开啮合。手柄插入后，转动手柄，驱动穿舱轴转动，动力由中间齿轮、扇形齿轮，最终通过左右连杆传递给滚轮架，完成锁紧和解锁动作。由于手动操作时滑动齿轮与蜗轮齿轮脱开啮合，可操作手柄转动。手动操作完成后，退出手柄，滑动杆在复位弹簧1或2的作用下复位，滑动齿轮与蜗轮齿轮重新啮合，保持舱门锁紧或解锁状态。

由上述工作过程可知，该方案采用机械方式实现手动和电动切换，在航天员插入和拔出手柄的过程中，联动完成切换动作，切换便捷，避免了文献［3］中采用电磁离合器实现产生的功耗增加、操作繁琐等问题。

2 关键参数

2.1 锁紧驱动力矩

锁紧驱动力矩直接决定了电机功率和航天员操作力大小，是锁紧机构的关键参数。

根据压紧原理以及压紧支架型面，密封圈压缩量h与滚轮架转角φ的关系如图4所示。空程段滚轮与压紧支架无接触。

图4 滚轮架转角与密封圈压缩量关系Fig.4 Relationship between angle of roller brackets and compression of sealing ring

舱门锁紧和解锁过程缓慢，以准静态过程分析滚轮驱动力，滚轮受力如图5所示。图中：P为密封圈抗力；α为滚轮架斜面倾角；R1，R2分别为滚轮外、内圈半径；N1为压紧支架对滚轮外圈的压力；M1为滚轮外圈受到的滚动阻力偶；Fs1为滚轮外圈受到的摩擦力；N2为门体对滚轮内圈的压力；M2为滚轮内圈受到的滚动阻力偶；Fs2为滚轮内圈受到的摩擦力。

图5 滚轮受力Fig.5 Free body diagram of rollers

在密封圈压紧过程中，驱动阻力F1由滚轮内圈阻力Fin和外圈阻力Fout组成。其中：Fin＝M2／R2＝δN2／R2＝δP2／R2。此处：δ滚动摩阻因数，对钢轮与钢制压紧支架作用δ＝0.05mm［5］。滚轮外圈与压紧支架作用满足M1＝δN1。则

根据通道及密封要求设计密封圈，并对密封圈样件进行抗力测试，结果如图6所示。用多项式拟合可得

图6 密封圈测试结果Fig.6 Result of sealing ring test

根据扇形齿轮与滚轮架位置关系，可知扇形齿轮驱动力矩M与滚轮架阻力F1传递路径，如图7所示。图中：O－XYZ为参考坐标系；d1为滚轮驱动阻力与滚轮架回转轴的距离；d2为摆杆与扇形齿轮回转轴Y向距离；d3为扇形齿轮回转中心与摆杆铰接点b的距离；d4为滚轮架与摆杆回转轴X向距离；d5为滚轮架与摆杆回转轴Y向距离；d6为扇形齿轮回转轴与摆杆铰接点b的X向距离；L1为滚轮架回转轴与左连杆铰接点a的距离；L2为左连杆长度；L3为摆杆上段长度；L4为摆杆下段长度；β1为滚轮架回转轴和左连杆铰接点a的连线与Y轴夹角；β2为左连杆与X轴夹角；β3为摆杆与Y轴夹角。

由虚功原理可得扇形齿轮驱动力矩

由几何关系可知d3满足关系

根据各连杆矢量在O－XY系投影，可得连杆L1，L2，L3的夹角β1，β2，β3满足关系

图7 扇形齿轮驱动力矩与滚轮架阻力传递路径Fig.7 Transfer path of sector gear driving moment and roller brackets resistance

为使电机功率和航天员操作力最小，需锁紧过程中驱动力矩的最大值最小。驱动力矩求解为典型的多约束条件下的优化设计。

将锁紧驱动力矩最小作为目标进行优化设计，minf（x）＝M。因β1，β2，β3为过程量，不作为设计变量，取设计变量

根据布局尺寸、压紧支架形状及密封圈测试结果取：18°≤φ1≤23°；23°≤φ2≤26°；36°≤φ3≤39°；52°≤φ4≤55°；0.55mm≤h1≤0.8mm；1.8mm≤h2≤2.2mm；55mm≤d2≤62mm；130mm≤d4≤138mm；0mm≤d5≤8mm。选取初始复合形的顶点10个，用复合形法对目标函数进行优化求解，得目标函数最小值minf（x）＝22N·m，对应最小值的有约 束 最 优 解 为：φ1＝21.2°；φ2＝24.5°；φ3＝37.7°；φ4＝54°；h1＝0.75mm；h2＝2mm；d2＝60.2mm；d4＝135.8mm；d5＝5mm。

考虑左连杆和右连杆摆动幅度限制，令扇形齿轮转动角θ＝140°，可算得驱动力矩M与θ的关系如图8所示。由图8可知：力矩曲线与压紧支架型面段相互对应，分为导向、过渡和压紧三段。在滚轮与压紧支架作用后，因滚轮受到压紧支架约束而导致力矩变化较大。在过渡段，力矩随过渡面形状和密封圈压缩逐渐上升。压紧段密封圈压缩量不变，力矩变化仅受到扇形齿轮与左连杆位置关系影响。在驱动过程中最大力矩为22N·m，与优化目标值相同。

由θ与连杆3摆角β3的几何关系，可得两者角速度满足

图8 扇形齿轮驱动力矩理论曲线Fig.8 Theory curve of sector gear driving moment

联立式（4）、（5）可求得滚轮架角速度与扇形齿轮角度的关系。根据电动锁紧和解锁舱门的时间t≤20s及θ＝140°，设＝7（°）／s，可得滚轮架角速度如图9所示。由图可知：锁紧过程中滚轮架角速度按由快至慢再到快的规律变化。在扇形齿轮驱动力矩较大的范围［对应转角范围55°～110°（图8），角速度变化范围为2.0～2.5（°）／s］。因此，动力由扇形齿轮传至滚轮架过程中起到减速增扭的效果。

图9 滚轮架角速度Fig.9 Angular velocity of roller brackets

2.2 电机参数及驱动力

锁紧执行机构的连杆中铰链24个，采用球轴承支承，按稀油润滑形式效率为0.99，则执行机构连杆传递效率ηL＝0.9924＝0.785［6］。

扇形齿轮最大理论负载M＝22N·m，为保证驱动动作可靠，取驱动系数k＝2，并考虑连杆效率，则扇形齿轮上的最大力矩M′＝kM／ηL＝56N·m。

根据电动工作时间和扇形齿轮转角范围，并以各级传动的承载能力（齿面接触强度）相等为原则，分配各级传动比，得扇形齿轮至穿舱轴传动比i1＝10.2，穿舱轴至电机传动比i2＝151.2。

考虑空间环境影响，按直齿轮和蜗轮蜗杆传动效率，取扇形齿轮至穿舱轴效率η1＝0.95，穿舱轴至电机效率η2＝0.4，可得电机参数为：额定转速nN≥θi1i2／（6t）＝1 800r／min；额定转矩TN≥M′／（i1i2η1η2）＝0.096N·m。

设计电机空载转速n0＝2 200r／min，由额定点和空载点得电机机械特性曲线如图10所示。

图10 电机特性曲线Fig.10 Motor characteristic curve

根据电机特性曲线计算电机输出功率p如图11所示。最大输出功率30.5W。

图11 电机输出功率曲线Fig.11 Motor output power

根据操作空间大小，取操作手柄半径L＝0.16m，由i1，M′可得最大操作力F＝M′／（i1η1L）＝36N，手柄转动圈数n＝4。

可知航天员在锁紧和解锁舱门过程中，操作快捷省力。

3 仿真分析

3.1 运动学仿真

用Pro／E软件建立舱门完整三维模型并进行运动装配，模型如图12所示。在Pro／E的机构模块中建立齿轮副和伺服电动机，对舱门模型进行运动学仿真，结果表明舱门机构打开和关闭无干涉，锁紧和解锁运动关系满足滚轮架最大转角54°的设计要求，手柄转角为1 428°（合4圈）。滚轮架与手柄转角关系如图13所示，扇形齿轮与8个滚轮架的转角关系如图14所示。由图可知：8个滚轮架运动一致，舱门锁紧执行机构锁紧同步性良好，可保证舱门8个压紧点同步压紧，门体结构受力均匀。

图12 舱门Pro／E运动模型Fig.12 Pro／E kinematics model of hatch

图13 滚轮架－手柄转角关系Fig.13 Relationship between roller brackets angle and handle angle

3.2 动力学仿真

用MSC／ADAMS软件建立舱门锁紧机构动力学模型。在滚轮与齿轮支架与门体间建立接触约束，用非线性弹簧模拟密封圈特性，以齿轮副、耦合副建立传动链，在电机上建立转动驱动，根据图10电机机械特性建立驱动函数，仿真所得不同扇形齿轮转角下驱动力矩如图15所示，与理论计算结果一致。不同扇形齿轮转角下电机转速如图16所示。由图可知：电机在锁紧过程中一直工作在额定点以上，可保证电动工作时间小于20s。

图14 扇形齿轮－滚轮架转角关系Fig.14 Relationship between sector gear angle and roller brackets angle

图15 扇形齿轮力矩Fig.15 Sector gear moment

图16 电机转速Fig.16 Motor speed

不同扇形齿轮转角下电机功率如图17所示。由图可知：电动工作过程中电机最大输出功率17.5W，电机功率裕度0.7。

4 结束语

针对现有舱门设计中功耗大、结构复杂和无法舱外电动起动的缺点，本文研究了一种新型舱外和舱内均可手电一体化操作的舱门机构设计，求解出关键参数。研究结果表明：设计的舱门通过翻转机构可实现打开和关闭功能；舱门能完成锁紧和解锁运动，8个滚轮架运动同步，密封圈压缩均匀。与现有设计相比，提高了密封效果，电动工作功率低，航天员操作便捷，动作力小。本舱门可用于空间站工程、登月工程和深空探测领域等载人航天器。

图17 电机功率Fig.17 Motor power

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