李立春，柏合民，徐 磊，原 瀟，樓 俏，秦 凱，常世杰，吳 凱，朱俊杰

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

夢天實驗艙是天宮空間站三艙組合體的重要組成部分，主要任務(wù)是為航天員提供工作場所，為艙內(nèi)外科學(xué)實驗提供支持，支持貨物進(jìn)出艙和微小衛(wèi)星釋放。

天宮空間站基本構(gòu)型以“積木式”為主，結(jié)合有限桁架結(jié)構(gòu)，采用運(yùn)載發(fā)射加對接轉(zhuǎn)位的方式實現(xiàn)空間站總體構(gòu)型［1-3］。核心艙帶有節(jié)點艙，核心艙Ⅳ象限停泊口對接實驗艙Ⅰ，Ⅱ象限停泊口對接實驗艙Ⅱ，前向?qū)涌诩癐 象限對接口可對接載人飛船，后向?qū)涌趯迂涍\(yùn)飛船，形成空間“十”字形構(gòu)型［4-6］，構(gòu)型如圖1 所示。在實驗艙Ⅰ、Ⅱ尾部，采用桁架結(jié)構(gòu)，配置獨立的對日定向裝置和驅(qū)動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)太陽電池翼二維對日定向。

圖1 空間站總體構(gòu)型Fig.1 General configuration of the space station

本文結(jié)合空間站總體構(gòu)型要求，針對夢天實驗艙任務(wù)需求，分析其對總體構(gòu)型與布局的要求，從總體構(gòu)型和布局出發(fā)，提出相關(guān)要求的技術(shù)解決途徑，并完成相關(guān)的技術(shù)驗證。結(jié)果表明，夢天實驗艙總體構(gòu)型和布局，滿足飛行器任務(wù)對構(gòu)型布局的要求，實現(xiàn)了夢天實驗艙相關(guān)任務(wù)指標(biāo)。

1 任務(wù)分析

夢天實驗艙作為空間站艙段之一，其主要任務(wù)是支持載荷空間科學(xué)實驗和貨物自動進(jìn)出艙，發(fā)射時，需滿足長征五號B 運(yùn)載火箭發(fā)射質(zhì)量和整流罩內(nèi)包絡(luò)尺寸約束要求，從其任務(wù)特點和約束條件得出對構(gòu)型與總體布局的設(shè)計要求。

1）區(qū)別于衛(wèi)星專門任務(wù)中的指定有效載荷，空間站應(yīng)用系統(tǒng)的有效載荷較多且需更換［7］。對此構(gòu)型布局設(shè)計時，充分利用整流罩包絡(luò)，最大限度地發(fā)揮夢天艙單次發(fā)射的效益；另外在保證平臺可行的前提下，一方面通過標(biāo)準(zhǔn)接口約束載荷［8］；另一方面在構(gòu)型布局設(shè)計時，盡量確保具備適應(yīng)不同載荷需求的靈活性。

2）運(yùn)載整流罩有限包絡(luò)與艙體大直徑結(jié)構(gòu)之間存在空間矛盾，勢必在進(jìn)行艙外外伸設(shè)備布局時受限。因此，一方面，對單機(jī)設(shè)備提出尺寸約束要求，必要時在代價可接受的前提下采用發(fā)射時收攏、入軌后展開的設(shè)計方式；另一方面，在構(gòu)型布局設(shè)計時，留有一定的小直徑結(jié)構(gòu)區(qū)域，保證大尺寸的外伸部件（如大型柔性太陽翼）的布局空間［9］。

3）對于23 t 大質(zhì)量，長度近18 m 大尺寸的飛行器，在構(gòu)型布局時，一方面通過構(gòu)型設(shè)計，在滿足運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)包絡(luò)的前提下，使得靠近運(yùn)載對接面的構(gòu)型直徑盡量大，以提高整艙剛度［10-12］；另一方面，盡量將大質(zhì)量的設(shè)備布置在靠近運(yùn)載對接面，以降低質(zhì)心提高基頻［13-15］。

4）對于大質(zhì)量、大尺寸、多任務(wù)的載人航天器，通過分艙段的設(shè)計思路實現(xiàn)［16］。在構(gòu)型布局設(shè)計時，盡量使每個艙段功能集中，便于分艙實施總裝、試驗和測試。設(shè)備布局不僅要考慮地面的維修性和操作性要求，還須滿足在軌航天員操作工效學(xué)要求和維修性要求［17-19］。

2 總體構(gòu)型與布局設(shè)計

2.1 總體構(gòu)型設(shè)計

夢天實驗艙總體構(gòu)型如圖2 所示。由圖2 可知，實驗艙分為工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙及資源艙4 個艙段，總長17.88 m。工作艙主要提供航天員生活、工作和娛樂的密封空間，安裝艙內(nèi)應(yīng)用載荷及平臺設(shè)備。貨物氣閘艙，主要支持載荷通過貨物氣閘艙進(jìn)出密封艙。載荷艙設(shè)置展開式暴露平臺，集中支持安裝艙外載荷。資源艙主要安裝推進(jìn)劑貯箱、姿軌控發(fā)動機(jī)等推進(jìn)分系統(tǒng)主要設(shè)備，以及驅(qū)動機(jī)構(gòu)、桁架及太陽翼等電源分系統(tǒng)主要設(shè)備，為整艙提供動力和能源，并支持少量暴露載荷。

圖2 夢天實驗艙總體構(gòu)型Fig.2 General configuration of the Mengtian lab module

夢天實驗艙發(fā)射時采用“倒打”方式，即發(fā)射狀態(tài)時，頭部的工作艙在下與運(yùn)載對接面連接，尾部的資源艙在上。夢天實驗艙與運(yùn)載分離入軌后，再偏航180°，將姿態(tài)調(diào)整為工作艙在前，資源艙在后。夢天實驗艙發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型如圖3 所示，Ⅰ、Ⅲ象限的可展開暴露平臺處于關(guān)閉鎖緊狀態(tài)，太陽翼為收攏狀態(tài)，壓緊在資源艙艙壁外。

圖3 夢天實驗艙發(fā)射狀態(tài)總體構(gòu)型Fig.3 General configuration of the launch state of the Mengtian lab module

夢天實驗艙發(fā)射入軌后，在與空間站對接前先獨立飛行，該狀態(tài)下的總體構(gòu)型如圖4 所示。太陽翼一次展開，翼展約24 m。此時太陽翼能繞自身軸線連續(xù)旋轉(zhuǎn)，夢天實驗艙具備一維對日能力。

圖4 夢天實驗艙獨立飛行狀態(tài)總體構(gòu)型Fig.4 General configuration of the independent flight status of the Mengtian lab module

空間站組合體期間，夢天實驗艙停泊組裝在核心艙Ⅱ象限停泊口，如圖5 所示。該狀態(tài)下，太陽翼完全展開，翼展約為60 m。此時太陽翼既能繞自身軸線，又能繞艙體軸線轉(zhuǎn)動，夢天實驗艙具備二維對日定向。同時，載荷艙的可展開暴露平臺展開到位。

圖5 夢天實驗艙組合體狀態(tài)總體構(gòu)型Fig.5 General configuration of the Mengtian lab module assembly

2.2 布局設(shè)計

根據(jù)夢天實驗艙的任務(wù)特點和整艙構(gòu)型設(shè)計，將整艙規(guī)劃出若干個區(qū)域，如圖6 所示。工作艙柱段艙內(nèi)分為平臺設(shè)備區(qū)、航天員鍛煉區(qū)、儲物區(qū)、儀表顯示區(qū)、載荷機(jī)柜上行區(qū)、載荷支持設(shè)備區(qū)和其他載荷預(yù)留上行區(qū)等，如圖7 所示。

圖6 夢天實驗艙布局區(qū)域規(guī)劃Fig.6 Regional planning of the Mengtian lab module layout

圖7 夢天實驗艙艙內(nèi)工作活動區(qū)區(qū)域布局Fig.7 Layout of the work activity area in the Mengtian lab module

工作活動區(qū)為艙內(nèi)方形通道，作為航天員在軌工作和活動空間；儀器設(shè)備區(qū)周向根據(jù)艙體4 個象限分為4 個部分，用于布置平臺設(shè)備和應(yīng)用載荷；儀器設(shè)備區(qū)沿軸向根據(jù)布局對象的類型劃分為若干個功能區(qū)域。工作艙后錐段處對接有貨物氣閘艙，供艙外載荷進(jìn)出艙使用。載荷艙Ⅰ象限對地面與Ⅲ象限對天面規(guī)劃2 個暴露載荷區(qū)域，為暴露載荷A 區(qū)和暴露載荷B 區(qū)。資源艙錐段Ⅰ象限對地面設(shè)置暴露載荷C 區(qū)。

平臺設(shè)備布局規(guī)劃主要根據(jù)整艙構(gòu)型、分系統(tǒng)功能和布局要求，主要分為密封區(qū)域和非密封區(qū)域，非密封艙又分為艙內(nèi)和艙外。

夢天實驗艙規(guī)劃工作艙內(nèi)提供13 個標(biāo)準(zhǔn)載荷裝載空間。工作艙內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)二次流體回路、氣路設(shè)備、應(yīng)用信息主機(jī)及載荷配電器設(shè)備的布局空間，不超過1 個標(biāo)準(zhǔn)載荷實驗柜安裝空間，資源艙安裝太陽電池翼和中繼天線。

2.3 主要技術(shù)特點

夢天實驗艙構(gòu)型契合空間站總體構(gòu)型要求，滿足“技術(shù)先進(jìn)、時代特征、中國特色”的要求。其主要技術(shù)特點如下。

1）配置專用的貨物氣閘艙。

為轉(zhuǎn)移貨物，貨物氣閘艙內(nèi)安裝載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，設(shè)置內(nèi)艙門和電動外艙門，具有氣閘功能。貨物出艙時，外艙門關(guān)閉，內(nèi)艙門打開，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸長至工作艙艙內(nèi)；航天員安裝載荷，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)帶載荷縮回到氣閘艙內(nèi)；航天員關(guān)閉內(nèi)艙門，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°，伸出方向?qū)ν馀撻T。氣閘艙泄壓后，地面發(fā)送指令打開電動外艙門，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸長將載荷送出，由機(jī)械臂取走。載荷進(jìn)艙過程反之。通過配置專用貨物實現(xiàn)空間站出艙活動“人貨分離”的設(shè)計，提高貨物出艙效率，并大大減少了航天員的工作量。

2）采用雙層嵌套結(jié)構(gòu)和可展暴露平臺設(shè)計。

載荷艙和貨物氣閘艙形成雙層艙體嵌套結(jié)構(gòu)，載荷艙在外，對天、地方向各設(shè)有1 個平板型可展開暴露試驗平臺，在軌展開后露出貨物氣閘艙對地方向的電動外艙門，機(jī)械臂可從氣閘艙自動取放貨物。在保證整艙剛度和強(qiáng)度的前提下，減少貨物進(jìn)出艙過程的氣體損耗，同時增加艙外載荷的布局空間。

3）太陽翼二維對日定向的構(gòu)型設(shè)計。

2 個大型柔性太陽翼的收攏狀態(tài)下，布置在資源艙的II 和IV 象限，太陽翼主體安裝于鉚接艙艙壁，太陽翼根部連接于桁架上的β 驅(qū)動機(jī)構(gòu)。α 驅(qū)動機(jī)構(gòu)布置在鉚接艙后端面，其固定端與鉚接艙固連，轉(zhuǎn)動段與桁架連接。桁架上布置2 個同軸的β 驅(qū)動機(jī)構(gòu)，分別在桁架II 和IV 象限。α 驅(qū)動機(jī)構(gòu)與2 個β 驅(qū)動機(jī)構(gòu)軸線正交，形成二維對日定向?？稍诳臻g站組合體姿態(tài)不變的情況下，實現(xiàn)空間任意方向的對日定向，保證太陽電池翼的最大發(fā)電效率。

3 設(shè)計驗證

根據(jù)總體任務(wù)要求和構(gòu)型布局設(shè)計原則，確定夢天實驗艙的構(gòu)型與總體布局設(shè)計。通過仿真與試驗等手段，驗證整個構(gòu)型和總體布局的設(shè)計。

3.1 模態(tài)試驗

為驗證平臺主結(jié)構(gòu)的剛度特性，對整艙模型進(jìn)行整艙模態(tài)分析，得到整艙模態(tài)計算結(jié)果，橫向Ⅰ階頻率為5.2 Hz，縱向Ⅰ階頻率為21.0 Hz，Ⅰ階振型如圖8 所示。整艙進(jìn)行專項模態(tài)試驗，得到整艙的橫向Ⅰ階頻率為5.3 Hz，縱向Ⅰ階頻率為21.4 Hz。試驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足運(yùn)載火箭對整艙的剛度要求，且上述頻率分析結(jié)果與力學(xué)試驗結(jié)果基本吻合，證明了仿真分析的正確性。

圖8 夢天實驗艙Ⅰ階振型Fig.8 First-order vibration mode of the Mengtian lab module

3.2 振動試驗

為了驗證夢天實驗艙的動力學(xué)特性，開展工作艙-氣閘艙組合體振動試驗、載荷艙-資源艙組合體振動試驗、整艙滿箱和空箱不同狀態(tài)的振動試驗及噪聲試驗，試驗表明，整艙的動力學(xué)響應(yīng)均滿足設(shè)計要求。夢天實驗艙正樣艙通過驗收級振動試驗，試驗結(jié)果如圖9 所示。通過運(yùn)載火箭發(fā)射段的力學(xué)環(huán)境考核，其在軌工作狀態(tài)正常。

圖9 夢天實驗艙振動試驗結(jié)果Fig.9 Vibration test results of the Mengtian lab module

3.3 貨物進(jìn)出艙驗證

為了驗證貨物進(jìn)出艙任務(wù)設(shè)計的正確性和可靠性，開展載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)機(jī)械組件運(yùn)動試驗、外艙門開關(guān)試驗，以及貨物自動進(jìn)出艙全流程驗證試驗，驗證產(chǎn)品的可靠性和載荷進(jìn)出艙工作時序設(shè)計的正確性。入軌后貨物進(jìn)出艙工作的順利開展，進(jìn)一步驗證了構(gòu)型設(shè)計的合理性。

3.4 暴露平臺展開驗證

暴露平臺在地面經(jīng)過多次帶總裝電纜及管路狀態(tài)的展開試驗，驗證了其展開的可靠性。夢天艙在軌完成轉(zhuǎn)位后，暴露平臺順利展開鎖定到位，科學(xué)試驗載荷在暴露平臺的安裝和取下，驗證了平臺結(jié)構(gòu)和載荷布局設(shè)計的合理性。

3.5 太陽電池翼的抬升驗證

太陽電池翼裝艙后，開展小角度抬升試驗，試驗結(jié)果正常，驗證了安裝接口和運(yùn)動包絡(luò)與艙體的匹配性。太陽翼經(jīng)過運(yùn)載火箭發(fā)射段的力學(xué)環(huán)境考核，一次展開和二次展開均順利完成，驗證了太陽電池翼安裝布局設(shè)計的合理性。

3.6 整體式載荷機(jī)柜安裝驗證

單個整體載荷機(jī)柜質(zhì)量約為500 kg，與艙體采用標(biāo)準(zhǔn)6 點安裝接口。總裝時，采用地面大質(zhì)量設(shè)備進(jìn)艙工裝將機(jī)柜送至艙內(nèi)，并將其安裝于對應(yīng)工位。各工位機(jī)柜通過平臺角格梁系安裝，角格梁之間布置有立桿和斜拉桿，將機(jī)柜的載荷傳遞至工作艙框和壁板上。整艙力學(xué)試驗對大尺寸重載設(shè)備集中安裝布局的狀態(tài)進(jìn)行動力學(xué)驗證，機(jī)柜動力學(xué)響應(yīng)滿足設(shè)計要求。經(jīng)過運(yùn)載火箭發(fā)射段的力學(xué)環(huán)境考核，在軌工作正常。

3.7 設(shè)備布局的工效學(xué)驗證

夢天實驗艙上的設(shè)備在軌需要航天員操作和維修。設(shè)備布局經(jīng)過仿真分析，如圖10 所示，以及維修性試驗和水下試驗，全面驗證了操作空間、輔助裝置設(shè)置等工效學(xué)要素設(shè)計的合理性。航天員出艙對艙外設(shè)備的操作均能順利完成，進(jìn)一步驗證了布局設(shè)計的合理性。

圖10 航天員工效學(xué)仿真Fig.10 Astronaut ergonomic simulation

4 結(jié)束語

總體構(gòu)型與布局設(shè)計是夢天實驗艙完成任務(wù)的重要保證，直接影響夢天實驗艙功能和性能的實現(xiàn)，其設(shè)計合理性對實現(xiàn)型號研制、降低成本、提升研制效率具有重要作用［20］。圍繞貨物自動進(jìn)出艙和載荷科學(xué)試驗支持任務(wù)需求，結(jié)合天宮空間站整站的構(gòu)型要求，本文提出夢天實驗艙的整體構(gòu)型、設(shè)備和載荷的布局設(shè)計方案。整艙構(gòu)型匹配了空間站整站雙自由度對日定向的構(gòu)型要求，雙艙嵌套構(gòu)型解決了貨物進(jìn)出艙通道和暴露載荷試驗空間問題，布局設(shè)計較好地滿足系統(tǒng)總體及載荷系統(tǒng)的任務(wù)要求。夢天實驗艙的成功發(fā)射及在軌穩(wěn)定運(yùn)行，是對構(gòu)型與布局設(shè)計的全方位驗證，平臺的布局設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、總裝實施的便捷性、機(jī)構(gòu)運(yùn)動和航天員工效學(xué)設(shè)計均得到有效驗證，可為同類型航天器的總體構(gòu)型與布局設(shè)計提供參考。