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太空版“电动螺丝刀”再度升级

2022-09-02 15:34:24 来源:法治日报 作者: -标准+


□本报记者 廉颖婷

□本报通讯员 王泽洋 杨佳鑫 武婷婷

当神舟十四号航天员乘组圆满完成首次出舱任务,关上舱门、安全“返家”的那一刻,负责此次任务保障的舱外电动工具设计师瞬间放松下来。航天科技集团五院总装与环境工程部舱外维修工具研制团队,全程参与了航天员出舱天地一体技术支持工作。直播画面中,助力航天员舱外维修的工具,就是由这支团队研制完成的。

3年多时间,研制团队完成了中国空间站核心舱、问天实验舱36类238件舱外维修工具的自主研制,累计上行总重量达509千克。他们从零起步,实现了我国在轨舱外维修工具从无到有的突破。

源于生活精于生活

2021年7月4日,神舟十二号航天员执行首次出舱活动,随着最后一颗安装螺钉的拧紧,全景相机抬升支架安装完成——这是空间站舱外电动工具的首次亮相。

2022年9月1日,作为此次空间站维修任务的“骨干选手”,舱外电动工具再次不辱使命,配合航天员完成出舱设备拆装工作。

由于发射时火箭对航天器的包络限制,相机抬升支架等舱外结构不能直接展开到位,需要后续由航天员出舱进行调整与维护。舱外维修工具就像航天员的机械伙伴,直接影响出舱任务能否顺利进行。研制团队结合航天员以往的使用体验反馈,包含舱外电动工具在内的“机械伙伴”经过多次迭代设计,正朝着更可靠、更好用、更多功能的方向升级。

“舱外电动工具这把太空版‘电动螺丝刀’,与我们在市面上随处可见的手电钻究竟有什么不同?”有人曾这样问。 

设计师表示:“接到任务的第一时间,由于可参考的经验太少,我们也有人曾闪过这样的念头。并且,设计起来才发现有多难。”

在失重状态下,航天员出舱时仅能靠扶手和脚部限位器调整姿态,工具和人的受力情况都与地面使用手电钻相去甚远;由于航天员身着厚重的出舱服,且只能单手操作舱外电动工具,设计师需要对每一个抓握、按压、旋拧操作进行反复研究以保证任务顺畅推进;出舱任务处于舱外复杂的真空和高低温交变环境中,舱外电动工具集电路、电机、电源、热控、机构等组件于一体,必须保证所有组件在如此严苛的环境条件下正常且稳定工作;执行任务全程要保证所有零件不会“逃走”成为太空垃圾,避免给空间站长期在轨稳定运行埋下安全隐患。

研制团队连续几周,目不转睛地复核航天员在轨仿真位姿变化的每一幅场景,精准定位舱外电动工具在轨应用的20余种在轨温度变化工况,最终圆满完成舱外电动工具的设计工作。

假设自己就是航天员

如何设计出一套好工具?对于这个问题,研制团队成员心里有一个共同的答案:假设执行出舱任务的是自己。

“以这种心情去工作,追求产品的完美就是自然而然的事情。”对于每件工具,设计师们都会进行至少三轮演练:第一轮,从航天员操作角度出发,在脑内从头到尾推演执行任务全过程,并结合出舱工作场景不断完善设计方案;第二轮,在设计图纸的基础上,用计算机建立仿真模型并验证设计功能;第三轮,在工效学评价中与航天员面对面沟通,争取把所有细节做到尽善尽美。

问天实验舱在轨组装完成后,航天员将从问天气闸舱出舱,设计师们根据新布局,对存放工具的工具箱进行了适应性改动。可是,当航天员在进行模拟失重验证时,他们发现,虽然工具箱功能上可满足指标,但航天员需要身体完全探出气闸舱,才能将便携式脚限位器和舱外操作台取下或装好。

“工具取放是航天员出舱任务的第一步,不能让他们在这儿就开始觉得没底。”设计师们与总体单位密切配合,仔细询问航天员感受,数次升级方案,结合仿真模拟技术,最终确保航天员在半出舱的状态下就能够完成取放,有效提升了操作便捷性和安全性。

此外,设计师还对舱外操作台材质进行了更改,使得其质心降低、转动惯量有效减小;对安装端头进行了形状优化,便于航天员更顺畅地把舱外操作台插入工具箱的安装座内。

以战斗者的姿态迎接挑战

研制团队成员平均年龄只有32岁,从接下这张“军令状”开始,他们就下定决心,要以战斗者的姿态迎接挑战。

研制周期异常紧迫、研制经验几乎为零,在如此艰巨的任务下,团队成员深感任重道远。任务初期,设计师仅凭文献中不甚详尽的思路难以产出优质方案,研制工作一度陷入瓶颈。

经过多方调研与探索,他们另辟蹊径,把目光从维修工具本身转移到空间站总装工作中:技能工人们既然能在地面把空间站建设好,那他们对空间站“在轨建设”工作内容是否也有较深理解呢?他们多次深入生产一线与技能工人交流,来完善自身在产品设计和工程应用中的知识体系,仔细分析每一个使用工况、精确模拟每一个运动轨迹、深入探讨每一个故障模式,果然收获满满。

团队先后攻克工具功能、环境适应性等方面多项技术难点,承研过程中共完成产品初、正样文件编制626份,图纸2565份。每一种工具不仅经过高低温试验、力学试验等严苛考验,还被送到航天员手中进行充分模拟验证,研制团队交出的这份答卷得到了总体单位及航天员系统的高度认可。

如今,研制团队依然在追求卓越的道路上奋勇前行。为适应出舱口的调整,他们倾心设计的几件全新“机械伴侣”已搭乘问天实验舱奔赴太空,将随着后续出舱任务逐一亮相。

编辑:廉颖婷

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