载人航天器舱外在轨维修设计与实现

易予生 李立凌 罗鹏 朱珂 范高洁 王爱国 徐起 李志海

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 上海航天电子技术研究所，上海 201109)

随着载人航天器在轨飞行时间的不断增长，长寿命设计逐渐成为其总体设计的重要内容，而载人航天器在轨维修是实现载人航天器长寿命、高可靠性、高安全性的必要手段[1]。俄罗斯和平号(Mir)空间站设计寿命为5年，通过航天员在轨维修和更换设备的工作，使其实际在轨运行15年之久。在和平号运行后期，航天员用于设备维护和排除各种故障的时间约占整个工作时间的80%。“国际空间站”(ISS)设计寿命15年，经维修可延寿至20年。2000-2005年，航天员共进行了4000多小时的维修，平均每天开展约2 h的维修活动。在天空实验室(Sky Lab)空间站后3次近9个月的载人飞行中，曾出现太阳电池、热控系统、自动对接系统和姿态控制系统等大小数百次故障，大多数故障都是通过航天员在轨维修排除。由此可见，在轨维修是保证长寿命载人航天器在轨运行、提高系统可靠性必不可少的手段[2-3]。依据国外载人航天技术发展的经验，进入中长期载人航天阶段后，人的积极参与对提高载人航天器的可靠性、安全性及有效延长在轨寿命问题越来越重要。因此，在载人航天器开始方案论证阶段就必须把在轨设备的可维修性技术作为重要考虑和研究的技术课题[4]。

我国的载人航天器在轨工作时间由几天逐步延长至几年、十几年，在航天员的参与下，载人航天器舱内外设备的维修更换给航天器的长寿命提供了途径。进行维修性设计，可以保障空间站可靠安全运行，提高平台效能和空间站应用效益，延长使用寿命[5]。本文提出了我国载人航天器舱外在轨可维修性技术解决途径，针对我国大型载人航天器舱外摄像机在轨维修需求，对舱外摄像机的标志、维修操作机械接口、维修操作电接口、航天员抓握、失重状态下防飘动等方面开展了维修性设计。对舱外摄像机的维修过程开展了仿真分析，并通过航天员出舱任务进行了验证。

1 可维修性技术解决途径

按照系统科学思想和人-机-环境系统工程理论，任何一个系统出现不可靠性并不是所有要素本身不可靠，而是由于各要素之间的联系或沟通存在缺陷，或是整个系统的结构存在缺陷。可维修性技术在工程实际应用时，工作中人为失误产生的原因主要有人的固有因素、维修工作难度大、周围环境条件等[6]。相比在密封舱内的可维修性技术，航天员在舱外进行可维修性工作的难度和危险性高很多。除了包括在轨时舱内可维修性技术难点，航天员在舱外进行更换和维修设备时还要面临以下难点：①身穿舱外航天服，行动及操作不便；②舱外的操作工具需要与航天服或航天器结构之间具有防脱环节；③舱外操作时拆下的紧固件要能安全可靠地回收，以免对航天器造成安全隐患；④受舱外航天服带气量的约束，舱外维修的时间不宜过长[7-8]。为此，应该尽可能地提高维修工作中人的操作技能，提高未来可发展的载人航天器上产品的可维修性，开发在轨维修专用工具。因此，对于载人航天器舱外设备，提出了以下可维修性技术解决途径。

(1)设备代号和中文名称采用标准黑体(或等宽体)。字高、字宽、对比度简明、可视，满足观察要求。

(2)机械接口采用倒角设计，设备外露表面消除毛刺。把手的尺寸和形状便于航天员单手抓握，手柄表面具有防滑措施，截面不使用圆形截面设计，确保航天员抓握稳定。把手安装后满足稳定性要求。

(3)航天员穿着舱外航天服戴舱外手套加压40 kPa后，手绕腕关节做上屈、下屈、左屈和右屈运动时形成的最大包络空间如图1所示，抓握范围如图2所示[9-10]。插头、插座电接口的尺寸需符合航天员穿着航天服后的手部操作及活动空间需求，具备防插错措施，标志明确清晰。

图1 穿舱外航天服后手部活动空间示意Fig.1 Hand movement space after wearing space suit

图2 穿舱外航天服后航天员抓握范围Fig.2 Astronaut grip range after wearing space suit

(4)设备本体和操作工具、电缆设计采取防飘措施。

下面以载人航天器舱外摄像机为例，对舱外设备的维修性设计进行说明。

2 维修性设计

载人航天器舱外摄像机是一种高清图像采集装置，如图3所示。舱外摄像机整机由4个可见光镜头和摄像机机身组成，其中，摄像机机身为上下2层模块层叠的结构形式，机身上下层壳体均为整体切削加工而成。舱外摄像机主要从标志、机械接口、电接口、航天员抓握、防飘等方面开展维修性设计。

2.1 标志设计

为了便于航天员识别不同设备及操作接口，顺利开展在轨维修操作，摄像机的标志设计共有2处，分别在单机的顶部盖板菱形框中和单机的中部斜面上。摄像机顶部盖板菱形框中的标志见图4，共有3排文字。单机中文标志和连接器标志，如图5所示。该标志设计简明，经航天员地面试验验证，1 m距离可视，可清晰辨识。

图4 菱形框标志Fig.4 Diamond frame identification

图5 摄像机中文标志Fig.5 Chinese logo of camera

2.2 维修操作机械接口设计

在确保产品机、电、热性能可靠性的前提下，对舱外摄像机进行了机械安全性设计，对设备外露边和外露角进行了去毛刺、倒圆角处理。为了便于产品的快速拆卸和更换，摄像机产品采用松不脱螺钉拆装方式，如图6所示。航天员维修时使用舱外电动工具将4个M5不脱出紧固装置拧松即可完成拆卸。在拆装操作时，螺钉垫片不会从摄像机本体上脱出，大大降低了在轨维修时操作螺钉的复杂程度，简化了航天员的维修操作。舱外电动工具按照工效学要求进行设计，如图7所示。经地面试验验证，航天员着舱外航天服戴舱外手套加压状态，利用舱外电动工具可顺利完成4个M5不脱出紧固装置的拧松和拧紧操作。

图6 松不脱螺钉设计Fig.6 Design of captive screw

图7 舱外电动工具设计Fig.7 Design of extravehicular power tools

2.3 维修操作电接口设计

为了便于航天员在舱外徒手对舱外摄像机连接器进行插拔操作，摄像机采用了我国为舱外设备维修专门研制的JYH矩形连接器(1个)，该连接器集供电、信号线于一体，插座设计也便于航天员戴舱外手套下抓握，大大简化了航天员的操作。连接器插合操作时，单手按住插头两侧的锁紧卡钩手柄，使卡钩张开，将插头插入到插座中，完成连接器的插合，观察插合到位标志和辅助插合到位标志，确认连接器插合到位，如图8所示。分离操作时，单手按住插头的A点和B点，完成第1步操作，待卡钩完全分开后，沿图所示箭头方向发力，完成第2步操作，即可将插头拔出，完成连接器的分离操作，如图9所示。

图8 插合操作示意Fig.8 Schematic diagram of insertion operation

图9 分离操作示意Fig.9 Schematic diagram of separation operation

2.4 航天员抓握设计

为了在舱外摄像机拆下后方便航天员将摄像机可靠收回，同时保护摄像机镜头，在舱外摄像机表面设计2个凸台，用于产品与维修把手固定。航天员出舱维修期间，携带1个维修把手，如图10所示。舱外维修时，先将把手与待维修的故障设备进行连接，把手底面为2个孔，与摄像机上表面突出的凸台定位重合，把手自带松不脱螺钉，使用松不脱螺钉工具将把手与摄像机进行固定，如图11所示。对于维修后安装的备件，随设备将把手安装到位，航天员可不对把手进行操作，产品安装到位后，拆卸维修把手。

图10 舱外摄像机维修把手设计Fig.10 Design of maintenance handle of extravehicular camera

图11 安装后的舱外摄像机维修把手Fig.11 Maintenance handle of extravehicular camera after installation

2.5 防飘设计

为避免摄像机在松不脱螺钉未紧固的情况下从安装位置飘走，针对安装位置限位靠边设计4个防飘结构，如图12所示。产品安装时，首先将产品上的R脚往对应的防飘组件从上往下靠，使4处防飘组件能够卡住单机的4个角，防飘组件上的簧片会产生阻力，压紧产品安装脚，使产品不会漂移，产品完全放到底即可松手。

图12 舱外摄像机防飘结构Fig.12 Anti-drift structure of extravehicular camera

3 仿真与在轨验证

舱外维修设计需要通过系统级验证才能确保设计的合理性和可行性。为了验证本文提出的舱外在轨维修设计的有效性，首先，开展了舱外摄像机的维修操作过程仿真验证，如图13所示。航天员穿着航天服状态下与摄像机周边设备无干涉，验证了舱外摄像机安装布局位置的可达性。为了进一步验证在真实舱体环境下航天员对摄像机维修操作的可行性，开展了2次6批次航天员水下验证试验。对舱外摄像机的拆卸和安装进行了全流程维修验证，试验工作流程如图14所示。图15给出了水下试验过程。仿真和试验结果表明：舱外摄像机的拆卸和安装过程操作简便，航天服与舱体无干涉，维修性设计合理。

图13 舱外摄像机维修过程仿真分析Fig.13 Simulation analysis of maintenance process of extravehicular camera

图14 水下试验维修流程Fig.14 Maintenance procedure for underwater test

图15 摄像机维修操作水下试验Fig.15 Underwater test of maintenance for camera

2021年7月4日8时11分，神舟十二号航天员乘组首次出舱，完成了舱外摄像机的抬升任务。实施过程中，进行了电动工具使用、松不脱螺钉拆装、电连接器插拔等操作，均快捷、顺利完成，如图16和图17所示。舱外摄像机维修后加电工作正常，验证了在轨维修操作设计的可行性及合理性。

图17 航天员在轨插接摄像机接插件Fig.17 Pluging camera connector by astronaut in orbit

4 结束语

根据航天员舱外操作快捷和舒适度需求，对载人航天器舱外在轨可维修性设计进行了论述。结合我国大型载人航天器舱外摄像机在轨维修需求，开展了舱外摄像机标志、操作机械接口、电接口、航天员抓握、防飘等维修性设计。对舱外摄像机的维修过程开展了仿真分析，最后通过航天员水下试验和出舱任务进行了验证。本文舱外在轨维修设计结构简单可靠，轻量化水平较高，便携且易操作，人机工效性能较好，可为载人航天器设备的维修性设计提供参考。后续，可对舱外设备抓握和防飘设计的轻量化进行进一步研究。