天宮空間站在軌貨物進出艙功能的設計與驗證

孟 瑤，柏合民，韓 艷，楊 旋，季逸民，劉婳婳，張 元

（1.上海宇航系統工程研究所，上海 201109；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

0 引言

周建平［1］對空間站在軌需求進行了闡述，空間站作為國家大型在軌實驗室，承擔較多空間實驗任務，也帶來了大量的艙內外貨物交互需求。施金苗等［2］指出依靠航天員出艙實現艙內外貨物交互的方法，存在質量、尺寸、任務執行頻次、航天員出艙風險控制等多方面的約束。GU，GAO 等［3-4］闡述了中國空間站未來在軌開展試驗的情況，其中艙外試驗的占比較大，如何提高空間站的利用效率成為亟待解決的問題。

貨物進出艙功能是提高空間站艙內外貨物運輸能力、降低航天員出艙風險的一項重要功能，國內外均對此開展了大量的研究，取得了較多成果。孟瑤［5］對貨物進出艙任務的工作流程、泄復壓方案、進出艙模式等進行了設計。GB/T 42178—2022 空間站氣閘艙進出貨物接口要求［6］對進出艙貨物接口進行了明確規定，保證了貨物進出艙任務的順利實施。樓俏等［7］提出貨物氣閘艙構型方案，對艙內載荷轉移機構、外艙門等設備的安裝位置，安裝形式進行了設計。張飛龍等［8］設計了一種自適應調整的地面設備，在地面模擬載荷轉移機構在軌受到的載荷，為載荷轉移機構提供較為真實的等效空間載荷。氣體復用技術的應用可有效減少密封艙內氣體資源的損失，因此氣體復用技術對空間站長期經濟運行具有重要作用。MARMOLEJO、施曉毅，曹軍等［9-11］對氣體復用帶來的收益展開分析，對4.25 m3的氣閘艙，在常溫下將101 kPa 的空氣全部排放到外太空可造成約5.5 kg 的資源浪費，如執行10 次出艙活動，每次回收60%的氣體，則可節約近33 kg 的氣體，是很可觀的一部分氣體資源。施曉毅等［10］從環境的真實性、包羅性、經濟性、可實現性和產品的適應性出發，設計并給出地面可實現、較為經濟合理的泄復壓環境試驗方法和試驗條件。曹軍等［11］對載人航天器氣閘艙氣體復用技術現狀及展望提出了氣體復用的實現及地面驗證方法。曹軍［12］調研了“國際空間站”氣體復用技術，對氣體復用系統組成、硬件設計及性能進行了闡述，分析了氣體復用技術對試驗條件的影響性。武巖等［13］介紹了空間站、航天飛機上氣閘艙及其艙門的大小和尺寸。例如，航天飛機上用于宇航員出入的艙門呈D 字形，直徑為1 m。文獻［19］提出了一種有效提高艙門剛度，抑制其大變形的立筋。張濤濤等［14］提出了艙門與艙體的一體化設計方案，可有效提高艙門的密封性能及結構的安全性。劉志全等［15］提出了艙門的可靠性試驗方法，包括試驗方法選擇、試驗件狀態及試驗條件的確定、試驗程序、故障判據和可靠性評估方法。希望號手冊［16-18］對目前國際空間站的希望號艙段，采用貨物氣閘的方案展開介紹，主要闡述了國際空間站貨物氣閘艙功能、利用滑臺轉移貨物、方案的實現方式及貨物氣閘艙的實用價值。

空間站夢天實驗艙平臺設計并驗證了貨物進出艙功能，提高了中國空間站整站艙內外貨物交互能力，降低了航天員出艙頻率，進而減少出艙風險。

1 貨物進出艙功能方案概述

考慮到貨物進出艙的氣體復用、貨物轉移等需求，中國空間站夢天實驗艙貨物進出艙系統主要涉及貨物氣閘艙、載荷轉移機構、內艙門、外艙門及1 套可以實現氣體復用的泄復壓系統，具體情況如圖1 所示。

圖1 貨物氣閘艙Fig.1 Sketch map of the cargo airlock module

整個貨物進出艙功能方案涉及貨物進艙方案和貨物出艙方案2 大部分。

1.1 貨物出艙方案

貨物出艙時，航天員需先將出艙貨物安裝至載荷轉移機構，并關閉內艙門再進行貨物氣閘艙氣體復用和泄壓；泄壓完成后，打開外艙門將載荷轉移機構伸出艙外，并運用機械臂將出艙載荷抓取值目標位置；最后，靳宗向等［20］設計的載荷轉移機構縮回張濤濤等［21］所述的貨物氣閘艙內并關閉外艙門，完成貨物氣閘艙復壓。具體流程如圖2 所示。

圖2 貨物出艙流程Fig.2 Diagram of the cargo ingress procedure

1.2 貨物進艙方案

貨物進艙時，航天員需先將進艙貨物的相關工裝安裝至載荷轉移機構，并關閉內艙門；再進行貨物氣閘艙氣體復用和泄壓；泄壓完成后，打開外艙門將載荷轉移機構伸出艙外，并運用機械臂將需要進艙的貨物安裝至工裝上；最后，載荷轉移機構縮回貨物氣閘艙內，并關閉外艙門，完成貨物氣閘艙復壓。具體流程如圖3 所示。

圖3 貨物進艙流程Fig.3 Diagram of the cargo egress procedure

2 地面驗證情況

載荷進出艙任務流程復雜，利用單一試驗開展全流程驗證工作存在一定難度。因此，針對載荷進出艙任務特點，空間站夢天實驗艙采用分步驟驗證的方法，分別對載荷轉移機構運動功能、泄復壓功能及外艙門開關關鍵子功能進行了地面試驗驗證，具體情況如下。

2.1 貨物轉運功能地面試驗情況

貨物轉運功能實現貨物在艙內外的轉移運動，主要由載荷轉移機構執行。載荷轉移機構具備伸縮、旋轉、位置調整等功能。通過其伸縮功能實現貨物直線方向運動；通過旋轉功能改變載荷轉移機構伸縮方向朝向；通過調整機構提高對不同尺寸載荷的適應能力。載荷轉移機構伸縮方向運動距離為1 800 mm，旋轉方向在0°～90°之間往復運動，位置調成功能可以實現0～500 mm 之間的多擋位調整。

考慮貨物轉運在軌實際的使用溫度、微重力及載荷環境，該功能的地面試驗主要包括載荷轉移機構的運動試驗和溫度驗證試驗。

2.1.1 載荷轉移機構運動試驗

載荷轉移機構的運動試驗主要驗證其動作執行時間、精度等情況。開展試驗時，載荷轉移機構采用平放的方式，減小重力載荷對機構運動的影響。整個試驗包括載荷轉移機構旋轉、伸縮及載荷轉移機構中的調整機構運動，試驗結果見表1。

表1 載荷轉移機構指標要求及地面驗證情況Tab.1 Index requirements and ground verification results of the payload transfer mechanism

2.1.2 載荷轉移機構溫度試驗

載荷轉移機構伸出方向為夢天實驗艙對地方向，熱控的加熱起控溫度為0 ℃，在軌最低溫度出現在空間站出影前、載荷轉移機構伸出艙外的工況下。此時，該機構直接暴露在空間環境中，熱量來源除自身設備發熱外，主要為空間熱輻射?？紤]空間站特性及載荷轉移機構運動方式，利用夢天實驗艙熱平衡試驗，在熱真空罐內模擬空間真空環境和在軌溫度環境，對載荷轉移機構在軌溫度進行模擬試驗。試驗結果表明，載荷轉移機構在軌最低溫度不低于3 ℃，滿足所設計的最低許用溫度指標，同時未達到載荷轉移機構熱控的起控溫度。

2.2 氣體復用、泄壓和復壓功能的地面驗證情況

氣體泄壓、復壓和復用功能主要實現貨物進出艙時，氣壓環境從空間站艙內環境到艙外環境的轉變，并減少貨物出艙任務期間氣體損耗。貨物進出艙任務期間泄壓分為氣體復用和泄壓2 個過程。氣體復用過程要求復用時間不超過30 min，氣體復用率不小于70%，復用后貨物氣閘艙內殘余壓力不超過25.0 kPa。完成氣體復用后開始泄壓，時間不超過20 min，泄壓后艙內殘余壓力不超過0.3 kPa。復壓任務分為2 個部分，共4個階段開展：載荷轉移機構從艙外回到貨物氣閘艙內后先進行回溫；溫度升高至-5 ℃后進行第1 次復壓，復壓至30.0 kPa；然后進行第2 次回溫；當溫度升高至12 ℃以上后進行第2 次復壓，直至與空間站艙內壓差不超過0.3 kPa。

針對泄壓、復壓及氣體復用功能，對氣壓控制能力及氣體復用能力進行驗證試驗。實驗在熱真空罐中依據在軌實際流程，按先復用再泄壓最后復壓的流程開展。試驗時，工作艙初始總壓及貨物氣閘艙初始總壓分別設置為92.2 kPa 和90.4 kPa，真空罐內初始總壓設置為1.5×10-4Pa，實驗結果如下。

2.2.1 氣體復用及泄壓試驗

完成初始狀態設置后，開始氣體復用及泄壓試驗。氣體復用過程中貨物氣閘艙總壓下降65.4～24.9 kPa，工作艙總壓上升6.4～98.6 kPa，氣體復用率不低于73%，復用期間耗時17 min；泄壓過程中貨物氣閘艙總壓從24.6 kPa 下降至300.0 Pa，泄壓耗時約17 min，氣體復用及泄壓功能正常。

2.2.2 氣體復壓試驗

氣體復壓試驗分為2 階段開展，復壓開始時，工作艙總壓為98.5 kPa、貨物氣閘艙總壓為390.0 Pa。第1 階段貨物氣閘艙艙壓上升至30.5 kPa，工作艙艙壓下降至95.5 kPa，復壓耗時約6 min，復壓速率約5.2 kPa/min；第2 階段貨物氣閘艙艙壓上升至89.6 kPa，工作艙艙壓下降至90.0 kPa，復壓耗時約18 min，復壓速率約3.0 kPa/min，氣體復壓功能正常。

2.3 外艙門功能地面驗證情況

外艙門功能主要實現貨物進出艙期間的通道開閉及貨物氣閘艙的密封。外艙門采用了電動滑移至的開關方案，安裝于貨物氣閘艙I 象限，往II 象限方向滑移打開，艙門通道近似為方形，有效通徑為1 230 mm×1 250 mm，弧門邊角處倒圓半徑不大于R150 mm。

地面主要針對其開關功能及密封性開展驗證試驗。試驗時，采用熱真空罐模擬空間環境，真空度為1.5×10-4Pa；考慮地面重力影響，采用艙門直立的狀態開展試驗，實驗結果見表2。

表2 艙門指標要求及地面驗證情況Tab.2 Index requirements and ground verification results of the hatch

3 在軌驗證情況

空間站夢天實驗艙發射入軌并形成空間站三艙組合體后，執行立方星釋放在軌專項驗證和6 次在軌出艙任務，通過遙測數據下行及地面監視計時的方法，測得所涉及到的關鍵子功能在軌驗證情況（遙測數據的采樣采用了向下取整的方式）。

3.1 貨物轉運功能在軌驗證情況

貨物轉運功能指標在軌實驗情況見表3。

表3 載荷轉移機構指標在軌實測情況Tab.3 In-orbit verification results of the payload transfer mechanism

由表3 可知，貨物轉運功能在軌工作正常，各項指標與地面測試結果相比一致性好，載荷轉移機構溫度情況符合預期。

3.2 氣體復用、泄壓、復壓功能在軌驗證情況

氣體復用、泄壓和復壓功能指標在軌實驗情況見表4 所示。

表4 氣體復用、泄壓、復壓功能指標在軌實測情況Tab.4 In-orbit verification results of the air reuse，pressure relief，and repressurization function indices

由表4 可知，氣體復用、泄壓和復壓功能在軌工作正常，各項指標與地面測試結果對比，一致性較好。在軌實驗中，氣體復用過程結束時，貨物氣閘艙氣壓為25 kPa 并開始泄壓；泄壓完成后貨物氣閘艙余壓為300 Pa。貨物出艙完畢后第1 次復壓后，貨物氣閘艙氣壓為30 kPa；第2 次復壓后工作艙與貨物氣閘艙氣壓平衡。

3.3 外艙門功能在軌驗證情況

外艙門功能指標在軌試驗驗證情況見表5。

表5 外艙門指標在軌實測情況Tab.5 In-orbit verification results of the outer hatch

由表5 可知，外艙門功能在軌工作正常，各項指標與地面測試結果對比，一致性較好。

3.4 結果分析

從地面試驗驗證和在軌試驗驗證情況分析可知，天地測試的數據的一致性良好，貨物進出艙功能及其重要子功能設計合理，不僅可完成貨物進出艙的在軌任務，同時可保證在任務執行過程中，產品性能的穩定性；證明地面測試方法有效，貨物進出艙功能對不同環境有較強的適應性。

4 結束語

本文介紹了空間站夢天實驗艙貨物進功能任務主要子功能的設計和試驗驗證情況。其中，地面試驗驗證采用分步驟驗證的方法，在軌試驗采用遙測下行和地面實時計時的方法，監測驗證結果。從試驗驗證結果可得出以下結論。

1）空間站夢天實驗艙貨物進出艙功能及其重要子功能設計合理。

2）空間站夢天實驗艙貨物進出艙功能及其重要子功能相關產品性能穩定。

3）空間站夢天實驗艙貨物進出艙功能地面試驗驗證方法有效，貨物進出艙功能對不同環境有較強的適應性。

4）空間站夢天實驗艙貨物進出艙功能正常，可在軌完成貨物進出艙任務。