空间站舱外工具用往复推进机构的设计

冉江南 徐春光 朱 超 李占芯 高 奔 陈 明

1.天津航天机电设备研究所 天津 300458 2.北京空间飞行器总体设计部 北京 100094

1 设计背景

空间站的在轨组装建造、维护维修、空间应用与科学试验都需要航天员实施出舱活动,携带相关的设备和舱外工具,完成指定的操作任务[1-3]。我国空间站已开始在轨建造,在一项出舱任务规划中,需要航天员对某设备实现多次往复推进操作。基于功能需求、空间约束,以及航天员人机工效学要求,在传统胶枪驱动机构的基础上[4],笔者采用CREO软件[5]设计了一种空间站舱外工具用往复推进机构。相对于传统胶枪驱动机构,这一往复推进机构具有推力大、可靠性高等优点,并且能够满足航天员舱外环境中单手操作的人机工效学要求[6-8]。笔者对该往复推进机构组成及原理进行介绍,分析航天员重点关注的驱动与解锁的操作力,并进行试验验证。

2 往复推进机构组成

往复推进机构设计过程中,在实现机构功能的前提下,充分考虑了空间环境因素[9-10]。往复推进机构主要由固定手柄、驱动手柄、主壳体、转轴A、驱动轴杆、拨片、拨片复位弹簧、锁止机构、推杆、复位弹簧等组成,如图1所示。固定手柄与主壳体固定连接,驱动手柄上部通过转轴A与固定手柄销接。驱动轴杆安装在驱动手柄的顶部,并与拨片下端接触。拨片上设有轴孔,与推杆配合,在调整块的作用下近似竖直状态。推杆轴向方向上设置有拨片复位弹簧和复位弹簧,分别作用于拨片和推杆。锁止机构安装在主壳体上,置于驱动手柄前方,方便单手操作。锁止机构与推杆上的齿槽相配合,实现解锁和锁止。

▲图1 往复推进机构组成

锁止机构主要由锁止片、销轴、锁止压簧、锁止座、转轴B、扳机等组成,如图2所示。锁止座安装在主壳体上,设有圆柱槽孔,分别用于安装锁止压簧和锁止片。锁止座侧壁设有长圆槽孔,用于销轴上下滑动。锁止片末端设有棘齿,与推杆的齿槽相配合。扳机通过转轴B与锁止座销接,锁止座通过销轴与锁止片销接。

▲图2 锁止机构组成

3 工作原理

3.1 推杆驱动

对驱动手柄施加驱动力FA,驱动手柄绕OA点顺时针转动,并带动拨片向驱动方向运动。此时,拨片相对推杆发生微小转动,拨片与推杆相互作用,两者之间产生较大摩擦力。继续按压驱动手柄,拨片继续向驱动方向运动,压缩拨片复位弹簧。同时,在摩擦力的作用下,拨片带动推杆向驱动方向运动,压缩复位弹簧。推杆上的齿槽与锁止机构相配合,当按压驱动手柄至极限位置时,推杆前移一个齿槽的距离,并在锁止机构的作用下锁定。此时,松开驱动手柄,在拨片复位弹簧的作用下,拨片和驱动手柄复位,完成一次驱动,实现推杆向驱动方向移动一个齿距。重复以上操作,可实现推杆不同行程的位移。

3.2 锁止和解锁

正常状态下,锁止片棘齿位于推杆的一个齿槽内,并锁定。当推杆向驱动方向前进时,锁止片向下运动。当推杆向驱动方向移动一个齿距时,锁止片复位,重新完成对推杆的锁定。推杆至指定位置后,对扳机施加解锁力FD,扳机绕OD点顺时针运动,并带动锁止片压缩锁止压簧,沿锁止座圆柱槽孔向下运动,直至锁止片棘齿与推杆完全脱离。此时,在复位弹簧的作用下,推杆迅速向回复方向移动,直至推杆完全复位。松开扳机,在锁止压簧的作用下,锁止片复位,与推杆初始位置状态齿槽配合,完成解锁操作。

4 计算

4.1 驱动力

在驱动过程中,往复推进机构受力分析如图3所示。在受力分析简化过程中,忽略不重要的摩擦力,同时由于锁止压簧预压力相对复位弹簧力很小,因此忽略锁止机构的作用。驱动过程中,拨片转动角度很小,分析过程中拨片可取竖直状态。图3中,F11为复位弹簧对推杆的作用力,F12为拨片复位弹簧对拨片的作用力,L10、L11为相应的力臂。

▲图3 驱动过程中往复推进机构受力分析

对驱动过程进行静力学分析,驱动力FA为:

FA=(F11+F12)L11/L10

(1)

取F11为42 N,对应最大位置,F12为12.9 N,L11为11.3 mm,L10为75 mm,代入式(1),可得驱动力FA为8.3 N,即最大位置需要的驱动力为8.3 N。

4.2 解锁力

解锁过程中,往复推进机构受力分析如图4所示。在受力分析简化过程中,忽略不重要的摩擦力,同时由于推杆对拨片的作用为解锁助力,接触脱离瞬间操作力最大,因此不考虑推杆对拨片的作用。图4中,F21为复位弹簧对推杆的作用力,F22为锁止压簧对锁止片的作用力,L20为解锁力臂,L21为阻力臂,θ为销轴对锁止片的压力与水平方向的夹角。

▲图4 解锁过程中往复推进机构受力分析

笔者采用MATLAB软件对解锁过程进行静力学分析,代入相关力及力臂,并进行简化[11],可得到解锁力FD为:

(2)

取F21为42 N,对应最大位置,F22为3.6 N,θ为50.2°,代入式(2),可得到解锁力FD为11.1 N,即最大位置时扳机解锁力为11.1 N。

5 试验验证

试验依托于空间站某舱外维修工具,该工具核心部分为上述往复推进机构,并且采用相同的参数。基于往复推进机构,笔者进行功能性操作试验、驱动力测试试验、解锁力测试试验。

5.1 功能性操作试验

连续按压驱动手柄,使推杆至最大位置,再按压解锁扳手,实现工具解锁。重复以上动作五次,按压和解锁过程中,各部件能够实现预期动作,运动灵活,无卡滞现象。

5.2 驱动力测试试验

采用虎钳,在钳口垫橡胶垫,夹住产品,以驱动手柄中间位置为着力点,采用20 N拉力计测量每次按压驱动手柄的驱动力,重点记录推杆在最大位置时的驱动力。驱动力测试试验现场如图5所示,共测量八次,结果见表1。

▲图5 驱动力测试试验现场

表1 驱动力测试试验结果

驱动力FA理论值为8.3 N,实测平均值为8.6 N,误差为3.6%,在10%误差范围内,满足性能要求。

5.3 解锁力测试试验

采用虎钳,在钳口垫橡胶垫,夹住产品,按压驱动手柄,使推杆至最大位置,以扳机中间位置为着力点,采用20 N拉力计测量每次解锁过程中的最大力。解锁力测试试验现场如图6所示,共测量八次,结果见表2。

▲图6 解锁力测试试验现场

表2 解锁力测试试验结果

解锁力FD理论值为11.1 N,实测平均值为12.6 N,误差为13.5%。误差相对较大,超出10%允许范围。误差过大可能是由于摩擦因数设定等问题引起,需要进一步改进,但是整体满足使用要求。

6 结束语

笔者设计的往复推进机构具有推力大、可靠性高等优点,通过锁止机构前置,使这一往复推进机构更加符合航天人机工效学的要求,并且能够实现舱外单手操作。

完成以这一往复推进机构为核心的舱外维修工具的试验,试验结果表明能够满足航天员使用要求。同时,这一往复推进机构具有一定的通用性,可以通过对机构推杆末端进行设计实现功能扩展。