周垚 汪靜 姜偉

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094) (2 航天物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司,北京 100190)

空間站作為復(fù)雜度最高的載人航天器系統(tǒng),具有在軌長(zhǎng)壽命的特點(diǎn),電子設(shè)備在長(zhǎng)達(dá)十余年的在軌飛行中面臨失效風(fēng)險(xiǎn),需要對(duì)能源、環(huán)熱控、通信網(wǎng)、航天員駐留支持、空間應(yīng)用支持等關(guān)鍵功能、重要設(shè)備進(jìn)行在軌維修活動(dòng)[1-2],要求空間站可維修設(shè)備的關(guān)鍵接口器件具備航天員在軌操作性。目前,國(guó)內(nèi)航天員在軌支持電連接器無成熟產(chǎn)品,研究尚處于技術(shù)積累階段,國(guó)外代表產(chǎn)品有法國(guó)SOURIAU公司的MAXI-D矩形電連接器,應(yīng)用于“國(guó)際空間站”阿爾法(Alpha)項(xiàng)目;美國(guó)AMPHENOL公司的Zero-G圓形電連接器,應(yīng)用于阿波羅號(hào)、月球漫游者號(hào)、太空實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目。

本文介紹了一種基于復(fù)雜航天器系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)開展關(guān)鍵元器件功能性能匹配設(shè)計(jì)的方法,結(jié)合空間站任務(wù)對(duì)航天員在軌支持電連接器的研制需求進(jìn)行分析,提出電連接器的總體設(shè)計(jì)原則,對(duì)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法進(jìn)行詳細(xì)介紹,最后給出在軌應(yīng)用情況。

1 任務(wù)需求分析

航天員操作支持電連接器關(guān)系著空間站系統(tǒng)功能和任務(wù)成敗,對(duì)確保航天員順利開展在軌維修活動(dòng),提升系統(tǒng)可靠性、保證設(shè)計(jì)壽命具有十分重要的意義?？臻g站任務(wù)對(duì)航天員在軌支持電連接器的研制提出了新需求。首先,航天員艙外活動(dòng)(EVA)時(shí),面臨嚴(yán)格的時(shí)間窗口限制,航天服內(nèi)的壓力會(huì)導(dǎo)致手部關(guān)節(jié)的活動(dòng)能力下降,維修操作的自由度受限,可達(dá)區(qū)域減小,航天員的抓握狀態(tài)受限、手腕活動(dòng)狀態(tài)受限[3-5],電連接器的構(gòu)型設(shè)計(jì)要充分考慮維修效率和安全性,要求操作過程盡量簡(jiǎn)潔、高效、準(zhǔn)確,依靠單手即可完成[6];其次,航天員受頭盔視野限制,可視范圍減小,電連接器的防誤定位識(shí)別設(shè)計(jì)要克服強(qiáng)弱光、視線等各種不利環(huán)境因素,便于航天員判斷是否插合到位;再次,電連接器從性能上還需適應(yīng)復(fù)雜的在軌長(zhǎng)壽命空間環(huán)境。綜上,現(xiàn)有常規(guī)電連接器已不能滿足空間站系統(tǒng)任務(wù)要求,如在軌維修設(shè)備缺少自主可控接口器件,將為空間站系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)帶來風(fēng)險(xiǎn),需要新研關(guān)鍵器件來實(shí)現(xiàn)在軌維修的核心技術(shù)能力。

2 電連接器設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)原則

以保證空間站系統(tǒng)在軌維修關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)為目標(biāo),通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)與器件功能性能的匹配確保系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)滿足型號(hào)使用需求的自主可控器件,遵循以下設(shè)計(jì)原則:①設(shè)計(jì)應(yīng)具備在軌可操作性,滿足航天員單手操作時(shí)“抓握定位、插拔力、安全性”等人因工效學(xué)要求;②充分考慮器件在太空長(zhǎng)期暴露、多頻次插拔等特殊使用特性,應(yīng)重點(diǎn)開展空間環(huán)境耐輻照、高低溫容差、防真空冷焊等環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì);③應(yīng)貫穿型號(hào)研制全流程充分開展器件級(jí)、設(shè)備級(jí)至系統(tǒng)級(jí)總體設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

2.2 在軌操作性設(shè)計(jì)

2.2.1 抓握構(gòu)型及快速定位識(shí)別設(shè)計(jì)

面向航天員在軌操作支持,對(duì)電連接器抓握區(qū)域采取“防滑、卡位、防脫”等設(shè)計(jì)手段提升抓握舒適度,如圖1所示,以JYH系列航天員操作支持電連接器為例進(jìn)行說明。電連接器抓握結(jié)構(gòu)匹配飛天航天服的特性,設(shè)計(jì)為特殊的“酒杯狀”構(gòu)型,能夠有效為航天員提供操作時(shí)的發(fā)力點(diǎn),并與卡鉤配合實(shí)現(xiàn)抓握導(dǎo)向,可防滑脫,最大程度降低航天員抓握時(shí)手部壓力;抓握區(qū)域?yàn)閮蓚?cè)卡勾外切圓導(dǎo)向區(qū)域,其中,整體抓握區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)計(jì)范圍為40～50mm,與手指貼合區(qū)域?qū)挾仍O(shè)計(jì)范圍為20～30mm,經(jīng)過多次工效學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證,參考航天員手部自然張合尺寸及航天服的手套尺寸,采用了大面積接觸的卡鉤,增加抓握接觸面積,提升航天員在著航天服手套后的操作手感;同時(shí),結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了上限位區(qū)域和下限位區(qū)域,分別在電連接器插入和拔出時(shí)提供限位支撐,輔助航天員完成定位、鎖緊等動(dòng)作。

相對(duì)傳統(tǒng)電連接器的鎖緊結(jié)構(gòu),航天員操作支持電連接器采用專門的卡勾鎖緊推拉式結(jié)構(gòu),便于航天員單手鎖緊,且外部占用空間小,在卡勾與電連接器的固定中,卡勾的扭轉(zhuǎn)重心設(shè)計(jì)在其鉚接處,避免因?yàn)樗查g的加速度變化影響鎖緊特性,從而大幅提升振動(dòng)環(huán)境下的電連接器插合的可靠性。

圖1 JYH系列電連接器構(gòu)型設(shè)計(jì)Fig.1 Configuration design of JYH series connectors

考慮到航天服的手套靈活性受限,JYH系列電連接器設(shè)計(jì)為通過頂住電連接器尾部的輔助插合面完成對(duì)準(zhǔn)操作,在一定的角度內(nèi)插合后,即可搭接在插座殼體中,電連接器底座的外壁面兩段分別設(shè)置一條標(biāo)示線(如圖2所示,標(biāo)識(shí)1),插頭卡勾端頭與插座限位凸臺(tái)鎖緊到位后,標(biāo)示線與插頭尾部的標(biāo)示線二者位于同一直線上;插頭殼體外壁面設(shè)置圓形防誤插識(shí)別標(biāo)識(shí)(如圖2所示,標(biāo)識(shí)2),同時(shí),與插頭配合的插座外壁設(shè)置觀察通孔,當(dāng)插頭與插座鎖緊到位后,可以透過通孔完整看到圓形標(biāo)識(shí),實(shí)現(xiàn)快速定位識(shí)別。

圖2 JYH系列電連接器插合定位設(shè)計(jì)Fig.2 Identification and location design of JYH series connectors

2.2.2 低插拔力設(shè)計(jì)

航天員操作支持電連接器的接觸件包括低頻、射頻、功率、1553B、高速、光等多種接觸件的傳輸形式,為保障航天的操作手感,對(duì)每種型譜的接觸件進(jìn)行單獨(dú)的低插拔力優(yōu)化設(shè)計(jì),確保其總的插合力滿足嚙合力和分離力的工效學(xué)指標(biāo),不會(huì)因?yàn)殡娺B接器型譜的變化而產(chǎn)生過大的插拔力離散效應(yīng),使航天員在操作時(shí)始終保持相對(duì)舒適的手感。具體地,低插拔力主要從“插合精度控制”、“接觸件的固定和插合方式”兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[7]。

1)插合精度最優(yōu)控制

考慮到航天服的抓握插合特性,若插合精度太高,會(huì)導(dǎo)致頭座配合時(shí)的卡澀手感,影響航天員的插合手感判斷,并且需要考慮在大溫差環(huán)境下的熱脹冷縮的使用特性,避免在大溫差的插合條件下產(chǎn)生干涉的問題;若精度過低,接觸件間匹配尺寸過于松弛,將影響電連接器的耐力學(xué)抗振性能,因此,插合精度需控制在最優(yōu)范圍內(nèi),使電連接器在滿足耐力學(xué)性能的基礎(chǔ)上保證航天員手肘及手腕在小幅度范圍動(dòng)作即可單手完成電連接器的插拔操作。

航天員操作支持電連接器采用了“殼體—絕緣體—接觸件”三級(jí)導(dǎo)向插合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),配合電連接器接觸件大浮動(dòng)間隙實(shí)現(xiàn)整體插合過程優(yōu)化控制。將傳統(tǒng)殼體導(dǎo)向柱精確定位的方式優(yōu)化為大間隙、深配合的結(jié)構(gòu)形式,一方面通過大間隙實(shí)現(xiàn)殼體插合易對(duì)準(zhǔn),同時(shí)預(yù)留極限高低溫插拔溫變余量;另一方面通過加大導(dǎo)向配合深度,約束接觸件對(duì)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)接觸件的有效對(duì)插。

2)接觸件的固定和插合方式

相對(duì)于傳統(tǒng)的電連接器,在接觸件固定結(jié)構(gòu)上采用了大擺動(dòng)空間設(shè)計(jì),去除了封線體等約束結(jié)構(gòu),在電連接器實(shí)現(xiàn)多芯插合時(shí),獨(dú)立接觸件傾斜導(dǎo)向插合,自適應(yīng)降低由于分布精度帶來的正壓力,以達(dá)到整體降低插拔力的效果。

2.2 安全性設(shè)計(jì)

為確保操作過程無劃破航天服風(fēng)險(xiǎn)、無導(dǎo)致航天員受傷的風(fēng)險(xiǎn),提出了電連接器的裸手觸感較光滑設(shè)計(jì)要求,對(duì)尾端結(jié)構(gòu)等插合、鎖緊及分離過程中裸手可以觸及的位置進(jìn)行倒圓角設(shè)計(jì),消除機(jī)械銳邊,確保在操作產(chǎn)品時(shí)不會(huì)出現(xiàn)“掛手”現(xiàn)象。確保了航天員操作電連接器消除了突出棱角,無機(jī)械銳角、毛刺、銳邊和突出物等帶來的安全隱患,對(duì)在軌操作活動(dòng)提供了安全保障。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

2.3.1 耐輻照設(shè)計(jì)

空間輻照是航天器電子設(shè)備在軌故障的主要原因之一,非金屬材料直接暴露在大劑量宇宙輻射下,易硬化、開裂、降解,導(dǎo)致電連接器絕緣電阻下降,產(chǎn)生漏電、耐壓擊穿等故障,進(jìn)而發(fā)生電子設(shè)備功能失效。以我國(guó)空間站為例,設(shè)計(jì)壽命為15年,輻射總劑量大于9×106rad[1],因此在設(shè)計(jì)航天員艙外維修操作電連接器時(shí),裸露面不應(yīng)采用環(huán)氧膠、硅橡膠、氟硅橡膠類耐輻照能力弱的材料,推薦采用玻璃、陶瓷等無機(jī)材料或耐輻射能力好的有機(jī)材料,如聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺(PEI)等作為絕緣材料。

2.3.2 耐寬范圍溫度多頻次沖擊設(shè)計(jì)

受太陽照射等因素影響,航天員操作支持電連接器插頭和插座間可能由于所處的位置和角度的不同將出現(xiàn)極大的溫差,在軌運(yùn)行時(shí)經(jīng)歷的溫差較大(背向太陽時(shí)-100℃,面向太陽時(shí)+180℃),帶來嚙合力和分離力變化的潛在風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)材料耐高、低溫性能參數(shù)設(shè)計(jì)分析及多頻次高低溫沖擊影響分析,對(duì)金屬?gòu)椥粤慵O限高低溫狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間工作應(yīng)力-應(yīng)變的分析,開展溫度容差設(shè)計(jì),對(duì)插配溫差進(jìn)行分析并從電連接器塑料、橡膠件及金屬?gòu)椥约牧线x取、電連接器插配溫差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上制定相應(yīng)解決措施,確保其在范圍溫度多頻次沖擊影響環(huán)境下產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性,以解決插頭插座電連接器的相對(duì)溫差造成熱脹冷縮效應(yīng)而出現(xiàn)插拔卡澀,甚至無法插拔的問題。

2.3.3 防真空冷焊設(shè)計(jì)

電連接器發(fā)生冷焊的本質(zhì)原因是在真空環(huán)境下,金屬界面處金屬原子相互擴(kuò)散形成新的金屬鍵結(jié)合,導(dǎo)致接觸界面處塑性變形力大于外部分?jǐn)嗔?現(xiàn)象表現(xiàn)為經(jīng)過長(zhǎng)期在軌運(yùn)行,電連接器無法正常解鎖?？臻g站在軌運(yùn)行時(shí)間15年,防真空冷焊設(shè)計(jì)是航天員在軌操作支持電連接器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在工作溫度范圍內(nèi),從設(shè)計(jì)上保證電連接器外部分?jǐn)嗔εc接觸面所受正壓力的處于限定范圍內(nèi),是防止電連接器發(fā)生冷焊現(xiàn)象的充分條件[7]。根據(jù)JYH電連接器插頭與插座構(gòu)型設(shè)計(jì),其接觸面所受正壓力來自于扭簧,傳導(dǎo)至卡勾與插座殼體之間產(chǎn)生的正壓力(如圖3所示)。根據(jù)電連接器兩個(gè)接觸表面在發(fā)生塑性變形接觸時(shí),其接觸面積、接觸面金屬鍵結(jié)合力、接觸面所受正壓力、材料硬度、材料極限屈服強(qiáng)度對(duì)電連接器勾與殼體間的金屬鍵結(jié)合力進(jìn)行力學(xué)仿真,計(jì)算發(fā)生冷焊需扭簧扭力為288.9N[7];同時(shí)對(duì)電連接器插拔操作時(shí)扭簧扭力進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,結(jié)果表明:JYH系列電連接器的扭簧自由狀態(tài)下,扭簧的張開角度為70°(扭力數(shù)值為18.496N);卡鉤在閉合狀態(tài)時(shí),扭簧的張開角度為15°(扭力數(shù)值為22.866N);卡鉤在張開狀態(tài)時(shí),扭簧的張開角度為2°(扭力數(shù)值為15.826N),均遠(yuǎn)小于冷焊發(fā)生條件,從設(shè)計(jì)上保證電連接器不會(huì)發(fā)生冷焊。

圖3 JYH系列電連接器受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of JYH series connectors

2.4 維修性驗(yàn)證

空間站維修性驗(yàn)證與評(píng)價(jià)應(yīng)結(jié)合地面模擬試驗(yàn)和在軌飛行試驗(yàn)等多種方法進(jìn)行[8]。通過對(duì)各類方法進(jìn)行多維比較,按分步歸類的思路,提出了與型號(hào)研制充分結(jié)合的適用于航天員操作支持電連接器的維修性驗(yàn)證方法。

2.4.1 維修性驗(yàn)證流程設(shè)計(jì)

與型號(hào)研制充分結(jié)合,與系統(tǒng)設(shè)計(jì)同步開展,方案階段即開始對(duì)電連接器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià);初樣階段通過多次分步驟進(jìn)行器件級(jí)、設(shè)備級(jí)維修性驗(yàn)證;正樣階段開展系統(tǒng)級(jí)維修性驗(yàn)證。電連接器維修性驗(yàn)證流程如圖4所示。

圖4 電連接器維修性驗(yàn)證流程Fig.4 Maintainability verification process of connectors

2.4.2 人因工效學(xué)評(píng)價(jià)要素及要求

為進(jìn)一步對(duì)電連接器操作的可行性、操作性能等進(jìn)行評(píng)判,按照航天員人因工效學(xué)要求的全部評(píng)價(jià)要素,對(duì)電連接器操作力、防滑、對(duì)位、操作方式、抓握尺寸、安全性、操作反饋等操作性能進(jìn)行驗(yàn)證。工效學(xué)評(píng)價(jià)要素及要求見表1。

表1 工效學(xué)評(píng)價(jià)要素及要求Table 1 Ergonomicevaluation elements and requirements

2.4.3 低壓手套模擬箱試驗(yàn)

低壓手套模擬箱通常包括真空泵、壓阻真空計(jì)、艙體、艙門和試驗(yàn)手套[9]。采用低壓手套模擬箱,可模擬航天員在穿著航天服手套后的狀態(tài),當(dāng)手套加壓時(shí),氣密層膨脹,材料變得堅(jiān)硬,航天員關(guān)節(jié)部位彎曲時(shí)即會(huì)產(chǎn)生阻抗力,從而模擬艙外環(huán)境,對(duì)電連接器的操作空間、插拔力、防誤定位等操作性能進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證[10](見圖5)。如圖5所示,試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容主要包括:①著艙外服手套加壓狀態(tài)下電連接器關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證。通過在試驗(yàn)箱中,模擬航天服內(nèi)外壓差,對(duì)電連接器進(jìn)行插拔操作,對(duì)比裸手和航天服手套在模擬艙中的偏差,研究手指及手腕的受限情況,對(duì)電連接器關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證;②電連接器布局及操作空間試驗(yàn)驗(yàn)證。通過在一種電連接器水平及垂直方向周圍布局多個(gè)電連接器,進(jìn)行水平、垂直、斜向插合試驗(yàn),最終確定操作所需的包絡(luò)尺寸,評(píng)估電連接器操作空間、插拔力、防誤定位是否滿足艙外維修活動(dòng)需求。

圖5 低壓手套模擬箱內(nèi)開展電連接器維修性試驗(yàn)Fig.5 Connector maintainability experimentation in low-pressure simulation cabin

2.4.4 中性浮力水槽模擬失重試驗(yàn)

正樣階段,跟隨整艙在中性浮力水槽中進(jìn)行模擬失重試驗(yàn),進(jìn)一步對(duì)航天員操作支持電連接器的操作力、抓握尺寸、安全性、操作反饋等內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)艙外可維修單元電連接器布局和操作空間的合理性進(jìn)行考核,評(píng)估在軌操作是否具備可達(dá)性,防止維修中與艙體結(jié)構(gòu)或其他艙外部件發(fā)生干涉。

3 在軌應(yīng)用情況

我國(guó)空間站在軌運(yùn)行15年期間,約千余臺(tái)電子設(shè)備需要開展在軌維修,其中艙外可維修設(shè)備超過10%,廣泛應(yīng)用的JYH系列航天員操作支持電連接器逾500余只,傳輸包括功率、射頻、1553B、光等信號(hào),目前在軌已成功開展多次出艙活動(dòng),如航天員通過操作JYH系列電連接器,對(duì)艙外全景攝像機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)移抬升,以擴(kuò)展攝像機(jī)的視角,幫助地面飛控系統(tǒng)更好地監(jiān)視整個(gè)艙體的情況等。經(jīng)多次EVA驗(yàn)證,該類電連接器具備航天員在軌可操作性,能夠高效、可靠、安全地支持航天員出艙開展維修活動(dòng)。

4 結(jié)束語

本文介紹了航天員操作支持電連接器在軌操作性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),提出針對(duì)該類電連接器的器件級(jí)、設(shè)備級(jí)及系統(tǒng)級(jí)維修性驗(yàn)證方法。在軌驗(yàn)證結(jié)果表明:該類電連接器有效保證了空間站系統(tǒng)在軌維修、航天員出艙等重大功能和任務(wù)的實(shí)現(xiàn),可在長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的載人航天器上推廣應(yīng)用。