本發(fā)明涉及一種航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法，本發(fā)明屬于載人航天器總體設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體屬于維修性設(shè)計與驗證技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國空間站在軌壽命長、可靠性要求高，其研制難度前所未有。“和平號”空間站通過維修將壽命延長到15年，延壽期間航天員75％的時間在開展維修工作。國際空間站通過維修將延壽到2024年，航天員日常40％的時間在開展維修工作，截至2016年9月，共開展了384次出艙維修維護。維修是保證我國空間站在軌運營必不可少的關(guān)鍵措施。密封艙艙外真空、冷黑、照明、溫度、設(shè)備狀態(tài)及艙外航天服特性對產(chǎn)品的可維修性影響大，故維修性設(shè)計、驗證和實施的難度很大。而且，我國空間站艙外眾多具有控制、推進(jìn)、通信、能源、空間技術(shù)等關(guān)鍵功能的產(chǎn)品需要出艙維修維護。同時，空間站是我國首次開展艙外維修維護設(shè)計的載人航天器，故突破艙外維修維護地面驗證技術(shù)對我國空間站的研制和在軌運營至關(guān)重要。

目前我國空間站全面開展了維修性設(shè)計工作，其中，安裝在艙外的需要維修設(shè)備共60類，約占總維修設(shè)備的10％。載人航天器艙外設(shè)備工作在真空環(huán)境中，真空環(huán)境下艙外材料會出現(xiàn)蒸發(fā)、升華，造成材料組分的變化、有機物的膨脹，進(jìn)一步改變材料原有力、熱等物理性能和電性能，從而導(dǎo)致機電類設(shè)備發(fā)生黏著和冷焊效應(yīng)，造成旋轉(zhuǎn)部件的磨損、黏連和卡死；航天器在冷黑環(huán)境中運行，受到周期性的太陽輻照，使艙外設(shè)備的溫度發(fā)生高低變化，也會導(dǎo)致材料熱脹冷縮出現(xiàn)機構(gòu)卡滯；航天員在開展艙外維修操作，需著艙外航天服，艙外航天服手套內(nèi)外壓差40kpa，航天員的可視性、可達(dá)性、可操作性均受到艙外航天服的制約影響。惡劣的維修條件以及航天服約束給艙外維修活動帶來很大困難，同時，艙外活動也直接關(guān)切航天員生命安全。因此，有必要針對艙外維修操作進(jìn)行充分的驗證。

同時，盡管前期進(jìn)行了全面的方案設(shè)計，并對航天員進(jìn)行了充分的訓(xùn)練，但是由于空間碎片、真空、高低溫交變、艙外設(shè)備工作對環(huán)境的影響等因素，與飛行器飛行時間因素疊加，難免會在出艙活動中出現(xiàn)突發(fā)情況，這對航天員安全和出艙任務(wù)的完成都會帶來致命的影響，因此，有必要在地面建立一套驗證系統(tǒng)，并形成地面驗證快速響應(yīng)的程序和方法，實時支持出艙活動，降低任務(wù)風(fēng)險。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題為：本發(fā)明可以快速確定在軌突發(fā)故障的艙外設(shè)備維修方案，具備1小時快速響應(yīng)能力，同時經(jīng)濟性優(yōu)異，可以解決空間站工程大體量艙外維修驗證耗時長，代價大的問題。

本發(fā)明解決的技術(shù)方案為：一種航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法，包括以下步驟：

(1)提出艙外故障設(shè)備的維修預(yù)案，維修預(yù)案包括維修轉(zhuǎn)移路徑，維修操作流程和人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)；

(2)建立航天器艙體的三維模型，模擬航天器艙體外所有設(shè)備布局，仿真驗證維修轉(zhuǎn)移路徑，判斷轉(zhuǎn)移路徑上是否有艙外設(shè)備阻擋；

(3)維修操作試驗驗證，記錄操作力矩、操作時間；

(4)判定操作力矩、操作時間是否達(dá)到維修預(yù)案中的人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)；

(5)確定航天員在軌出艙維修可用的維修方案。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明利用航天器艙體三維模型，通過模擬航天器艙外所有設(shè)備布局，對航天員從出艙口到待維修設(shè)備工作地點的路徑，以及維修備件由機械臂從貨物氣閘艙抓取，由機械臂轉(zhuǎn)移到維修工作地點的路徑進(jìn)行仿真驗證，可以快速判斷轉(zhuǎn)移路徑上是否有設(shè)備阻擋，該仿真驗證方法簡便經(jīng)濟，并且能真實還原在軌運行航天器艙外布局狀態(tài)，驗證結(jié)果準(zhǔn)確。

(2)本發(fā)明利用“艙外維修地面模擬系統(tǒng)”進(jìn)行維修流程的操作驗證，“艙外維修地面模擬系統(tǒng)”實現(xiàn)了艙外產(chǎn)品維修性影響因素的全覆蓋，對真空、高低溫、著航天服手套后的運動約束這些影響維修操作的因素進(jìn)行了綜合模擬。與地面常溫常壓下操作試驗以及中性浮力水槽中操作試驗相比，在“艙外維修地面模擬系統(tǒng)”進(jìn)行的維修操作試驗，時間和操作力矩與在軌實際情況更接近；

(3)本發(fā)明利用“艙外維修地面模擬系統(tǒng)”進(jìn)行維修流程的操作驗證。“艙外維修地面模擬系統(tǒng)”試驗前準(zhǔn)備時間短，能覆蓋所有空間站上待維修在軌可更換單元的機械、電氣、液路接口形式，從接到驗證任務(wù)啟動驗前準(zhǔn)備流程到具備操作條件，僅需要約1小時；美國著服操作的中性浮力水槽驗前準(zhǔn)備時間需要約24小時。與之相比響應(yīng)時間縮短了96％。

(4)本發(fā)明可提供的快速驗證方法經(jīng)濟性優(yōu)異，可為在軌維修任務(wù)提供地面同步支持，可為空間站工程大體量艙外操作驗證提供低成本高質(zhì)量服務(wù)。

附圖說明

圖1本發(fā)明的艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法流程圖；

圖2地面模擬系統(tǒng)組成示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的基本思路為：提出一種航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法如下：(1)提出艙外故障設(shè)備的維修預(yù)案，維修預(yù)案包括維修轉(zhuǎn)移路徑，維修操作流程和人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)；(2)建立航天器艙體的三維模型，模擬航天器艙體外所有設(shè)備布局，仿真驗證維修轉(zhuǎn)移路徑，判斷轉(zhuǎn)移路徑上是否有艙外設(shè)備阻擋；(3)維修操作試驗驗證，記錄操作力矩、操作時間；(4)判定操作力矩、操作時間是否達(dá)到維修預(yù)案中的人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)；(5)確定航天員在軌出艙維修可用的維修方案。本發(fā)明可以快速確定在軌突發(fā)故障的艙外設(shè)備維修方案，具備1小時快速響應(yīng)能力，同時經(jīng)濟性優(yōu)異，可以解決空間站工程大體量艙外維修快速驗證問題。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，

本發(fā)明提出了一種航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法，如圖1所示，包括以下步驟：(1)提出艙外故障設(shè)備的維修預(yù)案，維修預(yù)案包括維修轉(zhuǎn)移路徑，維修操作流程和人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)；(2)建立航天器艙體的三維模型，模擬航天器艙體外所有設(shè)備布局，仿真驗證維修轉(zhuǎn)移路徑，判斷轉(zhuǎn)移路徑上是否有艙外設(shè)備阻擋；(3)維修操作試驗驗證，記錄操作力矩、操作時間；(4)判定操作力矩、操作時間是否達(dá)到維修預(yù)案中的人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)；(5)確定航天員在軌出艙維修可用的維修方案。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法，其特征在于，所述步驟(1)中，提出的艙外維修預(yù)案包括航天員維修或維護艙外故障設(shè)備的轉(zhuǎn)移路徑，和需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru的轉(zhuǎn)移路徑；航天員維修或維護艙外在軌可更換單元oru的站位；需維修或維護艙外在軌可更換單元oru的機械電氣接口信息；需維修或維護艙外在軌可更換單元oru的維修工具及輔助設(shè)施；維修操作流程；人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)。

航天員艙外轉(zhuǎn)移有自主爬行和機械臂轉(zhuǎn)移兩種方式，在軌可更換單元oru艙外轉(zhuǎn)移方式有航天員攜帶后隨航天員自主轉(zhuǎn)移和機械臂轉(zhuǎn)移兩種方式。航天員維修或維護艙外故障設(shè)備的轉(zhuǎn)移路徑為：從空間站的氣閘艙到需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru的安裝位置。需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru的轉(zhuǎn)移路徑，包括兩種路徑，其中一種路徑為：航天員攜帶需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru的備件或維護工具，從空間站的航天員出艙的氣閘艙到需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru的安裝位置；另一種路徑為：空間站的機械臂將需維修的艙外在軌可更換單元oru的備件，從空間站的貨物氣閘艙到需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru的安裝位置。

航天員維修或維護艙外在軌可更換單元oru的站位，會直接影響航天員與維修或維護艙外在軌可更換單元oru之間的相對位置關(guān)系，從而影響維修操作力矩大小和維修時間，是實施維修操作之前的重要步驟，因此在艙外維修預(yù)案中必須明確。

艙外維修預(yù)案中還應(yīng)包括維修或維護艙外在軌可更換單元oru的機械電氣接口信息，維修操作的直接對象就是艙外在軌可更換單元oru上的機械、電氣接口，這些接口的信息有助于航天員提前了解所需要的操作技能并做好充足準(zhǔn)備，保證維修操作時間在規(guī)定范圍內(nèi)。

維修操作流程是航天員完成在維修或維護艙外在軌可更換單元oru的站位后，實施的松開機械緊固件、拔出電連接器、卸下故障的在軌可更換單元oru、替換上在軌可更換單元oru備件、插接上電連接器、安裝機械緊固件的步驟。

優(yōu)選的人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)包括維修可視范圍、維修可達(dá)范圍、維修操作力矩范圍、維修操作時間范圍。人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)針對身高范圍為160cm～175cm，坐高≤96cm，體重范圍為48kg～74kg的航天員，穿著艙外航天服后的運動特性確定。艙外操作姿勢確定后，操作部位應(yīng)在航天員有效視區(qū)內(nèi)，視區(qū)要求如下：以航天員兩眼中心為原點，上0～80°；下0～60°，左0～100°，右0～100°。艙外電連接器插拔力應(yīng)≯60n，手動工具需要的啟動力應(yīng)≯89n。單次出艙維修任務(wù)所需時間不應(yīng)超過6小時。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法，其特征在于，所述步驟(2)中，對轉(zhuǎn)移路徑進(jìn)行仿真驗證。

轉(zhuǎn)移路徑上不能有艙外設(shè)備造成的阻擋，否則會延長轉(zhuǎn)移時間，導(dǎo)致出艙活動任務(wù)失敗，甚至發(fā)生碰撞，威脅航天員生命安全。通過仿真驗證可以快速判斷轉(zhuǎn)移路徑上是否有設(shè)備阻擋，該仿真驗證方法簡便經(jīng)濟，并且能真實還原在軌運行航天器艙外布局狀態(tài)，驗證結(jié)果準(zhǔn)確。轉(zhuǎn)移路徑仿真驗證方法為：

建立航天器艙體的三維模型，并模擬航天器艙體外所有設(shè)備布局，根據(jù)航天員位置，確定航天員出艙的氣閘艙門，設(shè)定主路徑和支路徑，主路徑和支路徑相連形成航天員從空間站的氣閘艙到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru安裝位置，主路徑為已驗證過的從氣閘艙門到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru位置附近的路徑；支路徑為未驗證過的航天員從需維修或維護的艙外設(shè)備的附近到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru的路徑；

根據(jù)需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru的備件位置和機械臂的位置，設(shè)定主路徑和支路徑，主路徑和支路徑相連形成在軌可更換單元oru的備件從空間站的貨物氣閘艙到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru安裝位置，主路徑為已驗證過的從貨物氣閘艙門到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru位置附近的路徑；支路徑為未驗證過的在軌可更換單元oru的備件從需維修或維護的艙外設(shè)備的附近到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru的路徑；

建立航天員著服后的人服系統(tǒng)模型，該人服系統(tǒng)模型能夠完全模擬航天員著服后的狀態(tài)；

利用仿真工具，使人服系統(tǒng)模型按照主路徑和支路徑，在航天器艙體的三維模型上攜帶需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru的備件或維護工具，從空間站的航天員出艙的氣閘艙到需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru的安裝位置；使機械臂按照通用路徑和專用路徑，在航天器艙體的三維模型上攜帶在軌可更換單元oru的備件從空間站的貨物氣閘艙到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru安裝位置；

判斷支路徑上是否有艙外設(shè)備阻擋，如果沒有阻擋，則判定步驟(1)中維修預(yù)案的轉(zhuǎn)移路徑合理，如果有阻擋，則返回步驟(1)，以重新規(guī)劃支路徑。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法，其特征在于，所述步驟(3)中，進(jìn)行維修操作試驗驗證的方法如下：

按照步驟(1)中的維修預(yù)案，準(zhǔn)備需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru的地面模擬件即維修對象的模擬件、維修工具及輔助設(shè)施；

將維修對象地面模擬件安裝到載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)的伺服機構(gòu)上的固定工裝上。如圖2所示，載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)包括伺服機構(gòu)(1)、控制臺(2)、真空罐(3)、觀察窗(4)、航天服手套(5)和支架導(dǎo)軌(6)；真空罐(3)上設(shè)置有觀察窗(4)和航天服手套(5)，航天服手套(5)伸入到所述真空罐(3)內(nèi)部，且與真空罐(3)之間密封連接；支架導(dǎo)軌(6)和伺服機構(gòu)(1)均位于真空罐(3)內(nèi)部，支架導(dǎo)軌(6)固定在真空罐(3)底部，伺服機構(gòu)(1)安裝在支架導(dǎo)軌(6)上；維修設(shè)備模擬件(7)安裝在伺服機構(gòu)(1)上，在控制臺(2)的控制下具有四個運動自由度。伺服機構(gòu)(1)的轉(zhuǎn)盤上裝有固定工裝，固定工裝能夠固定維修對象地面模擬件，伺服機構(gòu)運動能夠模擬維修對象地面模擬件與人服系統(tǒng)之間的相對位置

將載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)的真空罐(3)抽真空，使內(nèi)外差壓達(dá)到40kpa；

調(diào)整載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)的伺服機構(gòu)，確定維修對象地面模擬件與人服系統(tǒng)之間的相對位置，以模擬在軌需維修或維護的艙外在軌可更換單元oru位置與航天員維修或維護艙外在軌可更換單元oru的站位之間的相對位置；

地面試驗人員帶上載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)上的艙外航天服手套，按照步驟(1)中的維修操作流程，對維修對象地面模擬件進(jìn)行操作，松開機械緊固件、拔出電連接器、卸下故障的在軌可更換單元oru、臨時固定卸下的在軌可更換單元oru、替換上在軌可更換單元oru備件、插接上電連接器、安裝機械緊固件。記錄操作維修對象地面模擬件的操作力矩、維修操作時間，并對維修操作過程中的可視范圍和可達(dá)范圍進(jìn)行定性描述并記錄。

利用“載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)”進(jìn)行維修流程的操作驗證，“載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)”實現(xiàn)了艙外產(chǎn)品維修性影響因素的全覆蓋，對真空、高低溫、著航天服手套后的運動約束這些影響維修操作的因素進(jìn)行了綜合模擬。與地面常溫常壓下操作試驗以及中性浮力水槽中操作試驗相比，在“載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)”進(jìn)行的維修操作試驗，時間和操作力矩與在軌實際情況更接近；同時，“載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)”試驗前準(zhǔn)備時間短，能覆蓋所有空間站上待維修在軌可更換單元的機械、電氣、液路接口形式。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法，其特征在于，所述步驟(4)中，判定操作力矩、操作時間是否達(dá)到維修預(yù)案中的人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)，步驟如下：

將權(quán)利要求1所述的航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法的步驟(3)的維修操作試驗驗證記錄的操作維修對象地面模擬件的操作力矩、維修操作時間與維修預(yù)案中的人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)中的操作力矩范圍、維修操作時間范圍對比，若步驟(3)的維修操作試驗驗證記錄的操作維修對象地面模擬件的操作力矩、維修操作時間均在維修預(yù)案中的人機工效評價標(biāo)準(zhǔn)中的操作力矩范圍、維修操作時間范圍內(nèi)，則判定操作力矩、和操作時間符合要求，從而判定維修操作流程合理，否則，判定操作力矩、操作時間不符合要求。如果操作力矩、操作時間不符合要求，則重新調(diào)整維修站位、維修操作工具和維修操作流程，再按照權(quán)利要求1所述的航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法的步驟(3)進(jìn)行維修操作驗證，如果還不符合要求，則更改在軌可更換單元oru的維修性設(shè)計方案。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法，其特征在于，所述步驟(5)中，確定航天員在軌出艙維修可用的維修方案，方法如下：

(1)制定航天員在軌出艙維修可用的維修方案，包括：步驟(2)已驗證過的航天員從氣閘艙門到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru位置附近的主路徑、已驗證過的航天員從需維修或維護的艙外設(shè)備的附近到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru的支路徑、已驗證過的在軌可更換單元oru的備件從貨物氣閘艙門到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru位置附近的主路徑、已驗證過的在軌可更換單元oru的備件從需維修或維護的艙外設(shè)備的附近到需維修或維護的艙外設(shè)備的在軌可更換單元oru的支路徑、航天員維修或維護艙外在軌可更換單元oru的站位、需維修或維護艙外在軌可更換單元oru的機械電氣接口信息，需維修或維護艙外在軌可更換單元oru的維修工具及輔助設(shè)施，步驟(4)判定的合理的維修操作流程；

(2)將步驟(1)制定的航天員在軌出艙維修可用的維修方案發(fā)給在軌空間站中的航天員。

實施例：

以空間站“艙外載荷適配器”維修驗證為例，按照本航天器艙外在軌維修地面快速響應(yīng)支持方法，對空間站上艙外設(shè)備“艙外載荷適配器”進(jìn)行了維修方案快速驗證。

“艙外載荷適配器”在軌可更換單元oru的備件存儲在貨物氣閘艙，利用機械臂進(jìn)行備件和航天員轉(zhuǎn)移。在艙體三維模型的基礎(chǔ)上，設(shè)定機械臂從貨物氣閘艙到“艙外載荷適配器”在軌可更換單元oru安裝地點的備件轉(zhuǎn)移路徑，設(shè)定機械臂從氣閘艙到“艙外載荷適配器”在軌可更換單元oru安裝地點的航天員轉(zhuǎn)移路徑，設(shè)定轉(zhuǎn)移路徑全程離周邊安裝設(shè)備的最短距離不小于10mm，轉(zhuǎn)移時間不超過30分鐘。利用jack軟件對設(shè)定好的路徑進(jìn)行分析比對，結(jié)果顯示維修路徑上午阻擋設(shè)備，且離周邊安裝設(shè)備的最短距離大于10mm，維修時間為25分鐘，能滿足要求。整個仿真驗證過程用時約2小時。

在進(jìn)行仿真驗證后，按照“艙外載荷適配器”維修預(yù)案，準(zhǔn)備地面維修操作驗證試驗，從接到驗證任務(wù)啟動驗前準(zhǔn)備流程到具備操作條件，僅用時約1小時，按照維修操作流程，對維修對象地面模擬件進(jìn)行操作，松開機械緊固件、拔出電連接器、卸下故障的在軌可更換單元oru、臨時固定卸下的在軌可更換單元oru、替換上在軌可更換單元oru備件、插接上電連接器、安裝機械緊固件，用時共計2小時，艙外電連接器插拔力應(yīng)≯60n，手動工具需要的啟動力應(yīng)≯89n，維修操作力矩、操作時間均滿足要求。因為維修轉(zhuǎn)移路徑和維修操作流程均驗證合理，從而確定了在軌可用的“艙外載荷適配器維修方案”，可指導(dǎo)航天員進(jìn)行在軌維修。

“艙外載荷適配器”維修操作驗證試驗后進(jìn)行分析判定用時約2小時，總計共7小時。而美國著服操作的中性浮力水槽驗前準(zhǔn)備時間需要約24小時，試驗驗證需要約12小時，共計月36小時。與中性浮力水槽驗證相比，本方法的驗證時間縮短了81％。

利用“載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)”進(jìn)行維修流程的操作驗證，“載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)”實現(xiàn)了艙外產(chǎn)品維修性影響因素的全覆蓋，對真空、高低溫、著航天服手套后的運動約束這些影響維修操作的因素進(jìn)行了綜合模擬。與地面常溫常壓下操作試驗以及中性浮力水槽中操作試驗相比，在“載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)”進(jìn)行的維修操作試驗，時間和操作力矩與在軌實際情況更接近；同時，“載人航天器艙外維修地面模擬系統(tǒng)”試驗前準(zhǔn)備時間短，能覆蓋所有空間站上待維修在軌可更換單元的機械、電氣、液路接口形式。

本發(fā)明可以快速確定在軌突發(fā)故障的艙外設(shè)備維修方案，具備1小時快速響應(yīng)能力，同時經(jīng)濟性優(yōu)異，可以解決空間站工程大體量艙外維修驗證耗時長，代價大的問題。