空间机械臂关节在轨温度场数值仿真分析

冷育龙

摘要：伴隨着航天科技的迅速发展，传统简单的航天器和无法提供补给能力的空间站早已不能满足现代化航天活动的实际需要，甚至在发展的过程中形成了严重阻碍。目前，空间机械臂凭借着优良的性能及安全可靠的特性受到了广泛关注，成功的跻身于太空活动中，作为一种在轨支持、服务的关键性技术备受多国科研人员的重视。空间机械臂属于一种舱外活动的设备，因此关节所处的环境相对复杂，需要采用先进技术对其进行准确的热设计，从而更好的维护安全可靠运行过程。本文将分析空间机械臂关节在轨温度场数值仿真技术的应用，结合具体的数据分析，各种因素对关节温度场的影响规律。

关键词：空间机械臂；辐射热流；隔热组件；仿真技术

航天事业的发展推动着工程持续进步，传统的空间站已经无法满足时代的变迁需求，无论是在应用还是研究上都存在着或多或少的弊端。空间机械臂拥有可靠安全性，对在轨支持和服务上都能更好的适应时代发展需要，因此逐渐进入到太空领域，并且受到了众多科研人员的关注。经过具体的实践，空间机械臂能够更好的适用于舱外活动，并且拥有广阔的发展前景，对于未来的空间科学发展起到了巨大的推动作用。

一、空间机械臂关节的基本概述

空间机械臂主要是通过关节、末端作用器及臂杆、控制器共同构成。在这些构成部分中，最为关键的关节是转动轴、减速器及箱体等组件产生共同作用的部分。空间机械臂关节的内部存在着十分复杂的减速器结构，这种减速器的结构主要是活齿减速器，为了更好的方便输入、输出轴都呈现出多级阶梯轴的样式。为了有效的减轻重载，输入轴通常是实心结构，而输出轴则多为空心轴结构。此次研究的过程中，涉及到的空间机械臂关节在轨温度场数值，主要是由于机械臂关节内部的活齿减速器呈现出强大的承载能力，并且拥有极高的准确度，可以连续长时间的工作，这种活齿减速器还可以在小型设备上实现大传动比，所以结合限制的空间机械臂的空间运动范围，加之输出力矩较大，必须保证拥有较高的控制精度，同时还需要准确的温度精度，从而对关节的在轨温度场数值提出了更高的要求。

二、空间机械臂关节在轨温度场数值热分析计算

航天器的热分析计算可以从三个方面进行，例如轨道计算、外热流计算及温度场计算。航天器的热计算最重要的目的就是在验证相关的设计规定输入条件下，保证所有的设备具体的温度都能在实际的温控指标范围之内。输入的条件涵盖了计算的具体依据，同时还有相关的热环境约束条件，其中涉及到的布局、外形构造、轨道参数及姿态等内容。

航天器中典型的热分析计算流程框图，是经过具体的三个过程才建立起来的。首先是根据物理模型和相关的假设条件，以此构造出实际的热网络模型，另外，就是根据具体的运行轨道条件，和相关的姿态稳定情况、热控状态及航天器适用的热物理性质等多种参数，完成空间热流的计算和具体的热分析计算，以此获取到相应的热网络数学模型。最后一个阶段就是利用飞行遥感数据对相关的数学模型加以修正，确保更好的彰显在轨温度产生的变化。

航天器轨道计算的具体理论基础主要是依靠着轨道力学，这是一门非常新颖的应用理论学科，在天体力学最原始的基础上通过航天科学技术和相关的技术发展需要由此产生，因此涉及到的内容十分广泛，涵盖了多方面的学科内涵。在航天器热控制领域，无需全方位、全面系统的进行阐述有关轨道设计计算方面的知识内容。

三、空间机械臂关节在轨温度场数值仿真分析

空间机械臂由于工作环境的特殊性，需要充分考虑多种因素，准确分析在轨温度场数值。空间机械臂的工作环境就是空间轨道，所以需要加强对轨道环境的数值分析，并且采用仿真技术进行数值仿真，还应该对不同的工作状况进行适当的在轨温度场仿真，全面了解机械臂关节瞬间的状态温度变化。结合相应的情况，对低温工况和高温工况进行温度场的仿真，由此来提供关节的安全保障。

（一）关节结构组成及相应的温控指标

此次研究的过程中，涉及到几种几何模型，主要包括活齿减速器、箱体及隔热层。减速器的材料主要是45号钢，因此最大的直径达到了224毫米，长度为375毫米，相关的输入轴直径是45毫米，输出轴的直径则是80毫米，箱体的实际厚度为50毫米。结合目前的计算机技术分析，真实活齿减速器属于一种外形比较复杂，同时运动过程也十分复杂的几何体，在进行相应的数值模拟时计算比较困难。为此，需要对减速器和箱体的结构加以适当简化，避免因为过程不当对计算结果产生影响，从而导致计算机无法求解。

（二）热控材料的确定

多层隔热材料是在轨设备最需要的原始材料，因此在表征多层隔热组件的方式多种多样，当量导热系数、涂层发射率、吸收率等都是其中最关键的参数。为了更加细致的选择多层隔热组件和相应的隔热材料，需要对相关的参数影响进行适当分析，由此总结出隔热组件的当量导热系数对空间热流产生了重要影响。在对热控材料进行确定的过程中，还应该明确隔热层厚度的影响，为了保证空间机械臂关节隔热层的必要性和相应的厚度选择更加合适，应该先计算出无隔热层厚度之下的关节温度场状况，之后计算出在不同厚度之下的温度场结果。

（三）在轨瞬态分析

空间机械臂关节在轨瞬态分析是热设计中的重点内容，瞬态分析的过程和相关的轨道参数能够呈现出具体的状况。在轨运行的过程包含着低温工况及高温工况两方面。低温工况主要是机械臂整体不参与工作，所以关节只受到了空间外流的影响。高温工况则具体是指机械臂全负荷工作，从而关节除了要接受空间外热流的影响下，还会受到内部的全负荷热流影响，并且整个过程，低温工况下的太阳及轨道之间的夹角呈现出的日期是全年最小，在高温工况下的太阳和轨道夹角所呈现的日期则是全年最大。

结语

由于空间机械臂时常用于舱外活动，因此面临着较为复杂的环境，所以需要采取更加准确的热设计，确保提供更加安全可靠地技术支持。空间机械臂的功能相当于人类的手臂，所以其关节是维持灵活运动及可靠运行的关键，并且能够为精确抓取目标物体提供保障作用。空间机械臂关节在轨温度场数值仿真分析的过程涉及到多个方面，为了更好的实现空间机械臂关节的使用价值，应该积极的分析各个方面的影响要素。