开闭式充排气口盖装置技术研究

贾磊　王悦　张涛　彭波　张庆利

摘 要：充排气口盖装置是实现航天器舱内外压力平衡的主要机械装置。文章提出一种有源驱动的可重复开闭式充排气口盖装置，以开闭速度快、可靠性高、刚度高、重复使用性好为目标，完成了机电一体化机械装置方案设计，并通过仿真分析与计算验证了方案的可行性与合理性。

关键词：充排气口盖；开闭式；有源驱动

中图分类号：V444 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）04-0049-02

Abstract： Air-bleed cover switching mechanism is a kind of pressure balance mechanism for various spacecraft between inside and outside cabins. A reusable active driving air-bleed cover switching mechanism is proposed in this paper. The advantages of this mechanism include rapid response， high stiffness， high reliability， and good reusable performance. The feasibility and rationality of the design scheme is validated through simulation analysis.

Keywords： air-bleed cover； switching mechanism； active drive

引言

随着航天器技术的发展，特別是随着返回式卫星、载人飞船、航天飞机、空间站等空间装备的发展，压力控制对于保障航天器的正常运行与安全回收具有重要意义。将航天器看做一个压力容器，其压力控制分为以下三种情况：一种是高真空容器，要求达到高的极限真空；另一种是低真空容器，气压只要减小到能够自如打开气闸或门窗；第三种是恒压容器，通过向外排气保持一定的工作气压[1]。其中，第一种情况多用于空间科学高真空试验，第三种情况多用于航天器的有效载荷技术保障和生命环境保障。如返回式卫星密封舱，其压力控制系统为舱内创造了合适的压力环境条件，使舱内的仪器设备免受外界大气压力变化和真空环境的影响[2]。本文研究的充排气口盖装置，则用于第二种情况，用于平衡航天器舱内外压力，降低压差载荷对结构强度的要求，为航天器各类舱门的顺利开闭提供便利条件。

充排气口盖装置需要能够根据外界环境与气压变化实现多次打开与关闭，在航天器各飞行阶段平衡舱内外压力，其对可靠性、重量、体积、功耗均有很高的要求。本文针对开闭式充排气口盖装置技术，提出了一种基于有源驱动的可重复开闭式充排气口盖装置方案，完成了仿真分析与计算验证，旨在为推动航天器压力控制应用技术发展提供支撑。

1 方案设计

充排气口盖装置整体采用双口盖同步驱动对开式构型。整套装置由电机、减速器、齿轮、丝杠、直线导轨、滑块、压杆、压块、拉簧、碟簧及口盖等组成，如图1所示。整套驱动装置布置在两个充排气口盖的中间，驱动动力源由两套直流电机组成，两套电机互为冗余，联合驱动两个口盖同步打开与关闭。

充排气口盖装置采用梯形丝杠+直线滑块压杆传动方式。两套直流电机通过一对传动齿轮并联，可同时驱动两套梯形丝杠旋转。梯形丝杠的旋转带动压杆沿支撑其两端的直线导轨平移。两个压杆通过滚轮能够在压块上的长形孔内滑动，带动口盖绕轴旋转，从而实现其开闭动作。

特别地，为了保证口盖在打开与关闭状态的整体刚度，丝杠采用具有自锁能力的梯形丝杠，确保整套装置具备断电自锁能力；同时每对压杆与口盖间安装有一对拉簧，压块与口盖间安装有碟簧，通过弹簧、碟簧实现整套装置的自消隙、自预紧。

本文所述的开闭式充排气口盖装置具有以下特点：

（1）可重复开闭，使用适应性强。采用电机有源驱动方式，可根据需求在任意时刻实现多次重复开闭动作。

（2）机构偏载小，卡滞风险低。采用对开式构型，驱动装置集中在两口盖中央，布局紧凑，两个口盖对驱动装置的反作用力相互抵消，机构偏载小，卡滞风险低。

（3）具有自锁能力，锁定刚度高。采用具有自锁能力的梯形丝杠，以及碟簧、弹簧的自预紧、自消隙作用，保证口盖在打开与关闭状态均具有很好的锁定刚度。

（4）同步性好，可冗余驱动。双电机通过在驱动轴之间配置传动齿轮环节实现并联冗余驱动，即使任意一套电机故障，另一套电机仍可同时带动两套梯形丝杠转动，实现双口盖的同时开闭。

2 仿真分析

按照口盖关闭状态下可承受最大过载7g、最大压差7000Pa的载荷条件，对充排气口盖装置运动受力过程进行动力学仿真，研究口盖开闭过程对电机的输出力矩需求，分析驱动电机的力矩裕度。

设电机经丝杠传动对滑块及压杆的推动力Fdt，其受力简图如图2所示，此过程中的主要负载来源于碟簧的压缩力FS及滚轮在碟簧压块中滚动的摩擦力。

为了模拟压杆与碟簧压块之间的复杂受力变化过程，本文基于ADAMS对碟簧压块的运动受力变化过程进行力学仿真分析，得到仿真分析结果如图3所示。其中，本方案选用碟簧组合刚度为19.4N/mm，最大压缩量为8.4mm。滚轮与压杆之间的摩擦系数为0.2。

由仿真结果可知，当压杆滚轮开始压缩碟簧压块时，所需螺杆的推力Fdt最大为70N，此时压杆的垂直载荷Fd也最大为300N，随着压杆滚轮逐步向前移动，螺杆推力Fdt将逐步降低至40N以下。

同时在压杆滚轮进入长条孔的凹槽的过程中，其接触力在X方向的由正变负，最大值达到-23N，说明了在关闭状态下，即使不考虑压杆滚轮与碟簧压块之间的摩擦力和梯形丝杠的作用，要解除压杆对碟簧压块的作用也需要对压杆施加X正向得23N作用力才能使口盖松动。

由梯形丝杠的传动特性，每个电机经减速后的所需驱动力矩Td如式1所示。

式中：d2-梯形丝杠中径，取7.5mm；p-梯形螺纹螺距，1mm；f-梯形螺纹摩擦系数，取0.2；？茁-梯形螺纹牙型半角，为15°。

按照上述计算分析结果，本文选用电机在额定电压下的最大输出扭矩为8.87Nm，减速器减速比为17，得到电机减速后输出力矩为150Nmm，为Td的2.28倍。由此可知，单个电机能够同时驱动两套压杆滑块机构运动，具有一定的驱动裕度，满足设计要求。

3 结束语

充排气压力平衡技术是保证航天器运行安全的一项重要技术。本文提出了一种基于有源驱动的可重复开闭式充排气口盖装置方案，并针对装置主要传动部分完成了相应的动力学仿真与受力计算，结果表明口盖开闭过程中电机具有一定驱动裕度，能够满足设计要求。

参考文献：

[1]黄良甫，罗崇泰，等.航天容器的在轨排气分析[J].真空与低温，1989，2：17-21.

[2]孙金镖，姚绍检，等.返回式卫星密封舱压力控制系统[J].航天医学与医学工程，1998，11（3）：189-193.endprint