面向在轨维修的电动工具冲击机构设计

针对空间站上大型在轨可替换单元的在轨维修任务需求,开发了一种低转速、大力矩输出且具有小反作用力、低冲击振动特点的舱外电动工具离合器式冲击机构。通过运动微分方程分析了单个碰撞周期内冲击机构的关键运动状态,并推导出稳定运行过程的力矩控制方程;研究了冲击机构关键设计参数对极限冲击力矩的影响,并根据设计结果进行结构瞬态动力学仿真;搭建在轨维修地面模拟试验平台和舱外活动(EVA)模拟装置进行了冲击电动工具的功能验证试验和工效学试验,结果表明:受试者手部承受的反作用力和振动幅值很小,工具产生的最大拧紧力矩为41.64 N·m,能够对M10螺钉进行有效的拧紧和拧松作业。以上研究可为在轨冲击型大力矩输出电动工具的研制提供技术支撑。

基于微重力模拟实验的在轨维修时间预计修正方法

准确预计在轨可修系统的维修时间并及时配送维修保障资源对于提高空间站的可靠性具有重大意义。针对现有在轨维修时间预计方法的局限并考虑微重力对维修时间的影响,提出基于微重力模拟实验的在轨可修系统维修时间预计修正方法。通过中性浮力水槽模拟微重力环境,在水下进行一段拆卸任务并记录时间,获得各个关节的基准动作时间,并对比模特法验证了该方法的准确性。之后,结合空间站中的其他影响因素,在模拟实验数据的基础上,推导出空间站的在轨维修基准动作时间标准,可为空间站维修活动时间预计和维修性设计提供参考。

载人航天器舱外在轨维修设计与实现

在航天员的参与下,载人航天器舱外设备的维修更换给航天器的长寿命运行提供了途径。为此,文章提出适用于舱外在轨维修的技术解决途径,以载人航天器舱外摄像机为例,对摄像机标志、操作机械接口、电接口、航天员抓握、防飘等方面进行了维修性设计。对我国载人航天器舱外摄像机的维修过程开展仿真和在轨维修试验,验证了舱外摄像机维修设计的正确性和合理性。该设计可为我国载人航天器设备的维修性设计提供参考。

国外空间站在轨维修策略研究及启示

空间站长期在轨稳定运行,离不开航天员的在轨维修。本文介绍了国外空间站在轨维修的一些相关情况,重点对国外空间站在轨维修方式、维修级别、维修类型以及维修时间进行了分析,通过对国外空间站在轨维修策略的分析,给出了对我国开展空间站在轨维修的一些启示。

载人航天器在轨维修地面仿真验证技术

为满足载人航天器型号对微重力和真空环境下的维修性仿真验证需求,文章提出并实现了一种混合式仿真验证平台。阐述了在轨维修仿真验证平台整体构架,建立了航天员模型、航天服模型及舱体维修模型,给出了在轨微重力和真空环境下进行维修的可视性、可达性及维修操作时间的仿真验证方法。利用该平台对在轨维修任务进行仿真验证,结果表明,该平台可以有效仿真和验证在轨维修,为维修性设计和优化提供了手段。

载人航天电子单机在轨维修技术

为提高载人航天电子单机可靠性,提出了适用于在轨维修电子单机的维修性设计方法。通过分析电子单机失效模式,确定了修复性维修的在轨维修策略,建立了内部在轨维修单元(Orbital Replaceable Unit,ORU)的选择流程;依据维修性理论,给出了ORU的维修性分配、预计和评价方法,最后对电子单机在轨维修关键技术进行了总结。运用上述方法和技术研制的电子单机在中国某载人航天器上顺利通过了在轨维修试验,可为中国载人航天电子单机的维修性设计提供技术支撑。

航天器的在轨维修性

随着我国航天员的空间出舱成功,空间站建设提上日程,因此急需对航天器的在轨维修性进行预先研究。本文在调研国内外关于航天器在轨维修性方面资料的基础上,进一步分析了航天器在轨维修的需求和可行性,并对在轨维修对未来航天器设计和空间站运行模式可能产生的影响和变革进行了初步分析,提出了结合在轨维修性技术发展我国空间站的新设想。

基于在轨维修的航天电子设备机箱总体设计研究

为了解决现有航天电子设备机箱维修操作复杂的问题,在分析现有成熟机箱缺陷的基础上,结合在轨可维修性设计理念,采用模块化设计的总体思路,提出了一款全新的更加人性化、维修便利的快速插拔航天电子设备机箱,实现了单板模块在轨快速更换和前盖整体屏蔽两大特色。最后,利用PATRAN/NASTRAN和Msc.Marc有限元仿真软件分别对机箱进行了力学分析和热分析。仿真结果及实践证明,该机箱具有操作及维修性好、可靠性高、通用性强以及结构简单等特点,完全满足航天机箱的相关标准。

面向任务需求的在轨维修地面验证方法研究与应用

维修性验证对航天器在轨维修具有重要的作用和意义。从空间站维修性验证任务需求出发,结合验证对象、验证项目、验证环境等方面,对国内外常用维修性验证方法进行比较分析,提出了分步归类的地面验证思路及一种化繁为简的零重力局部环境模拟维修性验证平台,以适应空间站各类大量在轨维修设备的维修全流程验证需求。

空间站在轨维修操作复杂度评价及试验验证

在轨维修是维持空间站在太空特殊环境安全运行的必要手段,太空特殊环境和空间站结构特点决定了空间站在轨维修任务的复杂度。在轨维修操作复杂度关系到空间站维修方案的优化、维修计划的制定、货运飞船的安排、航天员培训和空间站可维修性设计。然而,针对空间站在轨维修操作复杂度的评价研究较少。因此,提出了空间站在轨维修操作复杂度的概念,考虑了维修固有复杂度和外部影响因子2个方面,基于信息熵理论建立了复杂度评估模型。固有复杂度包括维修操作逻辑、维修动作规模、维修人机界面和维修操作知识,并借助信息熵完成以上4个方面的量化;外部影响因子包括操作空间、有无维修工具、时间压力、视觉遮挡和航天服影响,并利用分级打分制予以量化。为验证模型的有效性,基于地面模拟舱开展了12类产品维修验证试验,采集了受试者的维修动作及时间。实验数据分析表明,提出的模型能够较好地预测产品的维修耗时(相关系数为0.82),并能较为合理地对空间站在轨维修操作复杂度进行量化分级。为在轨维修的开展、维修方案的评价、航天员乘组训练与安排和空间站设计更改提供方法指导。

在轨维修后端模块接口机构的研究

在轨维修可以大大的延长空间科学仪器的使用寿命,节省大量的经济成本。为了实现空间望远镜后端模块的在轨操作和更换,设计了一套与之对应的接口机构,能够解决在轨快速定位与安装。根据321运动学定位准则,详细介绍了该接口机构的内部组成和工作原理;然后把该接口机构与后端模块进行组件级有限元仿真,仿真结果表明一阶模态远高于整机基频可以有效地避免发射时候的共振;设计了一套平面内的工装来模拟后端模块,利用等效质量法对整个机构进行重力卸载;搭建实验平台,利用激光跟踪仪来测量整个后端模块的重复定位安装精度,实验数据表明,X,Y,Z 3个方向的重复平移定位误差分别为±5.58μm,±3.24μm及±3.63μm,优于总体指标±10μm;热实验结果表明整个机构可以完全释放由于温度变化产生的形变,具有很高的热稳定性;使入射光线和靶面的相对位置持续稳定,保证了较高的成像质量。为其他空间在轨维护装置提供强有力的参考价值。

空间站核心舱太阳翼在轨维修地面验证技术研究

核心舱太阳翼在轨顺利展开且工作良好是我国空间站长期在轨飞行的基础。为在地面充分验证核心舱太阳翼在轨出现故障后,航天员在轨维修排除故障方案的合理性,对航天员出舱维修姿态进行仿真,研究在轨维修地面验证技术。通过地面操作试验验证仿真姿态,确认各项操作符合可视、可达、可操作要求,为我国后续飞行器太阳翼的在轨维修地面验证奠定基础。

载人航天在轨维修舱外电动工具的发展与思考(下)

手枪型电动工具是载人航天开展在轨维修任务等舱外活动必不可少的电动工具之一。梳理舱外活动用手枪型电动工具的扭矩控制器、动力总成、外壳、机构润滑、电控、人机界面及锂离子电池等模块化技术,概括舱外电动工具的持续优化的设计理念,介绍了舱外活动测试与地面验证的专用工具及设施,探讨了舱外电动工具在功能性能协调、空间环境防护、锂电池安全防护、机构润滑以及地面验证试验等方面的研制难点与研究方向,最后对舱外电动工具的未来发展趋势进行展望。

载人航天在轨维修舱外电动工具的发展与思考(上)

舱外电动工具是航天员为空间站等大型航天器实施在轨维修,保证航天器长寿命运行的必要工具。概述了舱外电动工具的研究背景与工作环境;介绍了早期空间电动工具的发展;分析了以哈勃望远镜、国际空间站等航天任务所使用的舱外电动工具的技术特点;总结了舱外电动工具的发展与研究方向,提出中国开展舱外电动工具相关研究应关注维修任务体系与工具的统筹规范、工具的高可靠性设计方法等,并应加强模块化手枪型电动工具的研究。

空间站在轨维修任务复杂度评价方法研究进展

空间站维修方案的优化,维修策略的制定,航天货运计划的安排以及空间站可维修性设计更改都要求量化分析空间站在轨维修的复杂度。基于复杂度理论及其工程应用的研究,对复杂度理论的发展进行回顾,梳理了任务复杂度研究进展及其评价方法应用,明确了空间站在轨维修任务复杂度概念,并重点讨论了空间站在轨维修任务复杂度评价中的几个关键问题。

空间机械臂手系统在轨精细维修操作的标定策略

分析空间机械臂手系统在轨精细维修操作的尺寸链误差,提出一种利用机械臂手眼相机标定维修操作对象修正离线路径规划的策略,解决了机械臂、维修对象在轨安装和天地重力差异带来的误差环节,设计并完成了地面试验。通过在轨实施验证了标定策略的正确性,圆满完成了我国空间机械臂首次在轨维修试验。

空间机械臂在轨维修的视觉伺服操控策略

首先分析了空间机械臂/机械手系统在轨旋拧螺钉任务的尺寸链误差.为修正微重力环境和机械臂、模拟维修单机在轨安装导致的位姿偏差,特别是消除机械手抓取电动工具导致的随机误差影响,提出了航天员在轨标定电动工具位姿/全局相机测量电动工具位姿并引入机械臂进行视觉伺服的控制策略.设计了视觉伺服控制器,给出了该控制算法的收敛证明和稳定性分析.通过在轨实施,该策略实现了机械臂/机械手系统拧松螺钉时位姿误差不超过3 mm/2°的任务要求.

空间站任务航天员在轨舱内维修能力分析及训练设计

针对空间站任务对航天员在轨维修能力要求,介绍了国外空间站维修情况,基于中国空间站舱内维修设计要求,利用职业教育理论,分析了航天员在轨舱内维修能力要素构成、元能力及其生成路径,并结合以往任务训练经验,设计了航天员维修专项的训练体系,包括训练原则、训练课程和训练方法。

太空“眼科手术”——记“哈勃”的最后一次在轨维修

“哈勃”空间望远镜于1990年4月25日登天．由光学系统．科学仪器和辅助系统三大部分组成．另外还有2副太阳电池帆板和2个抛物面天线。中间圆筒是望远镜的主体，圆筒前部是光学系统。

基于在轨可维修性的载人航天器配电系统设计

配电系统是载人航天器的电能传输网络,故障严酷度等级高,在故障模式分析的基础上合理设计遥测点及控制点可以实现其在轨维修,这对提高载人航天器的可靠性和寿命具有重要意义。文章以载人航天器配电系统的基本单元为例,从实现可维修的角度对配电系统基本单元拓扑结构的每个环节进行详细设计,包括故障诊断与定位、故障隔离与系统重构、维修流程与安全性设计3个方面,并对其可靠性进行分析。文章提出的维修性设计,能够从系统工程的角度对载人航天器系统设计进行优化,按设计要点提前规划平台资源使用情况,从而实现配电系统维修性与平台资源使用之间的平衡,对载人航天器配电系统可维修性设计具有一定借鉴意义。