扫码订阅

能源中心出品-----249号 多舱段空间站正方向及设备地址编码规则

一、大长度核心舱:

以国际空间站为例:中轴线上的核心舱由5个独立舱段串联对接而成。核心舱对接后几乎不再分离,在密封圈使用寿命后期,会有老化密封性能下降的问题。对接口直径比舱段直径小,当空间站的主发动机工作时,舱段受到的各种应力会集中释放到对接口处。

我国空间站数据:核心舱长18.1米,最大直径4.2米,实验舱长14.4米,最大直径4.2米,远景规划核心舱由二个舱室串联组成。

可用一个完整的大长度耐压壳替代由二个独立舱室对接组成的核心舱。大长度耐压壳需要分割成前后二段分别发射,在轨道上对接组装成一个完整舱段。以现有核心舱(18.1米)作为火箭载荷最大长度依据。核心舱后段因为自带动力控制系统,舱段长度按18米计算。核心舱前段没有姿态控制系统,需要在舱段前端的轴向对接口上临时对接一个动力模块(远征二号上面级)用于控制轨道姿态。减去动力模块长度后核心舱前段长度大约15米。二段对接模式核心舱总长度大约33米。三段对接模式核心舱总长大约48米(现役国际空间站的51米长度)。核心舱前后段对接端面有等径的大法兰盘。在核心舱对接端面的中心轴上安装临时对接装置、在法兰盘端面安装若干个小防撞缓冲气囊。当核心舱完成缓冲对接后,把缓冲气囊撤掉,完成大法兰盘刚性连接。在耐压壳端面圆周方向安装环形轨道,供工程机器人行走。前后舱段完成自动对接后,遥控舱外机器人在圆周轨道上逐个安装法兰盘螺栓、覆盖隔热层。舱内机器人用焊枪把法兰盘接缝焊死。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则



二、核心舱大法兰盘:

外置模式:法兰盘位于耐压壳外侧,法兰盘的对接螺栓孔在大密封圈外侧。耐压壳内侧的法兰盘接缝焊死后完全处于刚性密封状态,即便密封圈老化也没有漏气的风险。中置模式:耐压壳内外二侧都有法兰盘的螺栓孔,法兰盘对接面除了安装大密封圈,还要给耐压壳内侧的螺栓孔配置小密封圈。法兰盘接缝用电焊焊死后,耐压壳内侧的螺栓孔仍然有漏气的可能性,需要给每个螺栓孔灌注封堵胶。作为安全措施,需要用环形密封布料把耐压壳内壁上的法兰盘接缝包裹住。在隔离出的密封空间里填充染色液体,检测压力变化。如果压力突然下降,可用舱外机器人沿接缝查找泄露的染色液体,确定泄*。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则


三、舱室气密隔断及气密通道:

核心舱采用大长度整体耐压壳时,虽然保证了结构刚性,但安全冗余就有些不足了。需要在耐压壳内安装气密隔断(类似轮船的水密隔舱)。隔断间距以装下2米或3米长度的设备模块为准。耐压壳内的气密隔断采用软硬结合模式。圆形隔断中心有直径1.4米的通道孔用于人员上下进出。外侧为0.8m宽的金属隔断直接焊接到耐压壳内壁上兼顾加强肋作用。内侧为0.6m宽的气垫式软隔断,充气后作为航天员站立固定面。挪动大体积设备时,软隔断可以临时拆下来。隔断通道孔边沿等距安装6根扶手缆绳连接相邻隔断,作为航天员上下隔断时的扶手,也可以在航天员操作设备时充当固定把手。当耐压壳被小陨石击穿漏气时,可在相关隔断的通道孔上临时安装柔性气密通道,将漏气舱段隔离,避免整个核心舱的空气都漏光。如果单层软隔断无法承受真空压力,可以采取相邻几个隔断分级减压模式分担气压。这种舱段隔离方案也可以应用到日常试验上,当某层舱段内的试验会产生有毒气体,可以用气密通道把这层舱段分离出去,不影响其它隔断人员的上下通行,也不影响同一舱室其它隔断的设备运行。隔断通道孔上的气密通道还可以作为应急气闸舱,让穿好舱内气密服的航天员进入泄压区或污染区补救。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则



四、核心舱的商用对接口:

未来私人性质的空间站舱段对接到空间站上的可能性非常大。这些舱段基本都需要对接在核心舱上。避免重心偏移,减少姿态控制系统的力学计算量。需要在核心舱上留出足够多的商用对接口。三段对接模式核心舱的中段以“一型、I型”交替安装对接口,或者采用“X型、十字型”密集安装对接口,用于对接企业舱段,或者直接对外出租舱室。商用舱段自身没有动力系统,需要对接一个动力模块(远征二号上面级)用于轨道交会控制。靠近空间站后由机械臂抓住安装到对接口上。在核心舱的商用舱段安装气密通道,作为安全备份。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则



五、舱外机器人系统:

分为搬运用机械臂和安装用协作机器人机械臂负责舱外物品大距离位置移动。舱外协作机器人负责具体的安装固定、插拔电源数据线插头、更换电路板、修补破损结构等。舱外协作机器人主体为圆柱形,在圆柱端面有四道可独立旋转的同心环。内环等距安装3只机械手臂(互为120度)。三道外环各安装1只机械手臂。在每个机械手臂左右二侧的同心环上设有工具库(类似数控加工中心的刀库)存放各类扳手、钻头、电焊枪、切割工具等。在外环的最外侧安装几个捕捉网,当有小工具、小零件意外漂走时,机械手可以快速用捕捉网抓取漂走的小工具、小零件。圆柱形协作机器人可以安装在舱外轨道车上移动,或对接到机械臂上移动。通过外接电源线、控制线与舱内控制系统实现连接。如果协作机器人采用穿戴式控制器,则需要增加一个二次确认步骤。防止人体的一些本能反应造成错误指令。比如:操作者无意识的抠一下鼻子,或者手指不自觉的哆嗦一下,控制器会把这个动作当成指令发给机械手。如果机械手此时正在安装芯片等精密设备那损失就大了。二次确认步骤,虽然会使工作效率变慢但会给机械手一个容错缓冲的余地。6臂协作机器人机械手的工作分工:切割、电焊、钻孔、安装等工程作业时,位于内环上的3只机械手负责固定要加工的工件。外环上的3只机械手负责夹持工具进行机械加工。更换电路板等精细作业时,外环上的3只机械手负责抓住设备模块上的3个固定点,使自身与设备模块实现刚性连接。内环上的3只机械手借助三坐标测量探针对设备结构测量定位,防止更换零件时机械手与设备模块发生碰撞。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则



六、多臂多关节机械手臂的控制系统:

空间站的日常运行中肯定会遇到小陨石撞击电池板之类的设备意外损坏。需要进行更换电缆、切割、电焊、钻孔、捆扎之类的维修工作。比如焊接,需要对二个工件进行固定,至少需要三只机械手才能完成。电缆的捆扎固定,需要更多的机械手互相协同才能完成工作。多臂多关节机械手臂的协同控制,可以借鉴挖掘机的控制手柄原理、3D游戏里的自由视角原理,由三个控制手柄分工合作。二个控制手柄分别负责机械手基准点(所夹持工具)的X、Y、Z轴位移和旋转。第三个控制手柄配合触摸鼠标,负责自由视角和局部坐标系的空间定位。比如:钻斜向孔,可以用虚线建立临时坐标系,用控制手柄和鼠标将这个坐标系调整到需要的角度(调整自由视角观察时,临时坐标系同步旋转),确认无误后让机械手自动执行。失重环境下任何碰撞都会产生反作用力,机械手在使用工具时不可避免的会受到反作用力的影响。比如钻孔时,需要对钻头施加一定的压力,将协作机器人与工件实现近距离刚性固定,可最大限度消除刚性变形造成的偏差。

将协作机器人移动到工作区固定(3只机械手抓住工作区三个固定点,加上本体形成空间四面体稳定结构)。用另外3只机械手夹持三坐标测量探针对工作区内的设备模块测量定位。所有设备模块都有对应的坐标数据包。协作机器人只需测量模块上几个点,就可以将模块数据包的空间坐标加载到协作机器人电脑里。以协作机器人的端面作为坐标系原点平面、6只机械手各自运动基准点和中心轴方向(夹持工具后的轴线方向)。不论操作者切换到哪个角度的监控画面,电脑都会在当前监控画面上显示当前视角的三轴方位。操作者只需根据监控画面上的方向轴提示,操纵对应轴向的控制手柄对机械手下达移动、旋转指令。机械手各级关节的运动控制则由后台程序优化计算后自动生成运动命令。当主机械手执行组合动作时,操作者可以把监控画面切换到自由视角,近距离观察主机械手的安装动作是否到位。如有位置偏差可以随时暂停,对机械手的位置微调后再启动继续键。

操作界面里的快捷选项:操作切换键:对三只机械手分别进行操作控制。监控选择键:局部放大、切换视角、任意主动视角。测距键:测量机械手夹持的工具与目标设备的间距。移动倍率键:增加或降低机械手的移动速度。比如,十倍低速。组合动作键:将一些重复动作(在固定位置抓取螺栓,更换机械手工具)设置成动作快捷键,降低操作者工作量。自动抓取键:拆卸作业不可避免会发生小零件意外漂走的事情,手动模式下机械手肯定跟不上零件飞走的速度。只需操作者选择自动捕捉快捷键,电脑会自动操纵机械手用捕捉网抓取目标。暂停与继续键:机械手执行自动动作过程中,如操作者发现问题,可以及时停止机械手动作,微调后再让其继续执行命令。压力键:机械手夹持的工具对工件产生多少牛的压力。

七、多臂机器人的空间定位和自我防撞措施:

以边长1~3厘米的正立方体作为计算空间方位的最小体积单位。将机械手活动半径内的所有空间都标上三维坐标编号。协作机器人的各个活动关节、工具、设备零件,建立对应的3D数据包。操作者控制机械臂移动时,后台程序实时对机械臂移动路线上将要占用的空间编号进行推演。如果二条机械臂在同一时刻的空间位置重叠,说明机械臂会发生碰撞。电脑自动停止动作并向操作者发出报警。负责夹持工具的主机械手,拥有移动占位优先权,当主机械手移动路线与负责夹持摄像头的副机械手发生位置冲突时,副机械手需要自动让开位置。当主机械手互相有位置冲突时,后移动的让先占位的。

八、舱内协作机器人:

主要用于地面人员遥控机器人进行舱内设备的操作。在核心舱的轨道组装阶段,可以让舱内协作机器人客串一下工程机器人。给其配置焊接工具模块和电动扳手模块。由地面人员遥控完成核心舱大法兰盘接缝的焊接和拧螺栓作业。核心舱完成对接组装后先不加压或只加低压,航天员穿着舱内气密服进入核心舱评估焊接质量,检测合格后将核心舱充压到正常状态。

九、植物园:

在核心舱设置一个大空间舱室(不安装任何仪器,只在圆周舱壁上用种植布袋种植常绿植物),用于缓解心理压力。也可以让航天员进行球类运动。在耐压壳的内壁上设有尼龙粘扣,用于固定防水内胆(类似充气式气泡帐篷)。种植布袋安装在防水内胆上。当需要彻底清理植物园时,可直接更换植物园舱室的内胆。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则



十、空间站电池板系统:

以国际空间站为例,多组电池板分别安装在空间站的不同部位,但随着空间站轨道位置的变化,安装在不同部位上的电池板就会面临互相遮挡阳光的问题。如果不及时调整轨道姿态就会造成周期性的发电功率波动。如果调整轨道姿态又会消耗空间站燃料(空间站大约90分钟绕地球一圈)。可以采取集中安装电池板的模式避免互相遮挡的问题。在空间站边沿对称安装两座回转平台,用于集中安装电池板。回转平台可以实现二个自由度的旋转,确保电池板在任何时候都能被阳光照到。随着运行时间的积累,被货运飞船送上来的设备越来越多,空间站消耗的总电量会越来越多。这就需要同步增加发电用的电池板。可以利用货运飞船的电池板为空间站发电。空间站的电池板回转平台上预留安装接口。货运飞船的电池板做成可拆卸的模块式,当货运飞船对接到空间站后,空间站的舱外机器人就把货运飞船的电池板模块整体拆下,移植到电池板回转平台的安装接口上。每个电池板模块都有独立的电路跳线开关,实现对空间站的分路供电,以及供电线路转接。分路供电可以防止意外短路时全系统停电。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则


十一、气闸舱空气回收装置:

航天员每次出舱,都需要排掉气闸舱的空气。可以在空间站外挂载一个大容积气囊,用于回收气闸舱减压时的空气。气闸舱减压时,先于回收气囊连接,由于回收气囊的容积比气闸舱大若干倍,当二舱气压平衡时关上联通阀门。然后气闸舱直径排掉舱内剩余空气。回收气囊内的空气可以在航天员返回气闸舱增压时用于增压,剩余空气则需要用真空泵抽会高压气瓶。抽空气的工作并不影响空间站其他工作,可以用小排量的真空泵延长抽气时间。可以降低单位时间内的用电功率。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则



十二、轴向站位时设备与活动区的有效面积对比:

现役空间站的径向站位模式,受耐压壳圆周曲率的影响,径向安装的设备模块厚度会随着高度的变化而变化。这会给设备模块的设计制造甚至是货运飞船上行运输时的固定都带来不便。径向站位模式需要把舱室上下二个方向的舱壁空出来以便航天员站立(上下面只能当作储藏间,不能安装设备控制面板)。轴向站位模式:设备模块与舱室轴向平行,航天员操作设备面板时站在隔断气垫上。舱壁上所有方位都可以安装设备控制面板。轴向站位模式下,仍然可以选择传统的四面墙模式,也可以选择圆周环绕模式。已知舱室直径4.2m,

圆周模式:当活动空间为直径2.8m的圆形时,半径方向有0.7m宽度,可以安装12个截面为正方形的设备模块。如果模块截面为方形,模块之间会浪费很多空间,但模块安装时可以做到不挪动其它模块。模块之间的轴向间隙空间则可以作为舱室总线的安装空间。如果模块截面采用扇形,虽然面积利用率最高,但模块安装时需要挪动相邻模块。可以采用8个扇形模块+4个方形模块的混合方案间隔安装。顶多挪动一个模块就可以安装就位。正四面墙模式:这种模式基本是现役空间站设备安装模式的翻版,只不过是把设备控制面板的操作方向从径向改成轴向。中心外凸模式:将正四面墙模式的四个面中央部分向活动空间外移,使每个弓形的高度能容纳下2个方形模块。

窄四面墙模式:将正四面墙模式的其中二面墙的间距缩短,增加这二面墙的弓形高度。

轴向站位时几种设备模块的对比:

名称 圆周模式1 圆周模式2 正四面墙模式 中心外凸模式 窄四面墙模式

模块截面 梯形+方形 方形 切角弓形 方形+三角形 切角厚弓形

操作区形状 对角线2.8m正12边形 对角线2.8m正12边形 边长2.8m正方形 边长2.8m凹边正方形 2.8*2m矩形

操作区对面间距 ≈2.7m ≈2.7m ≈2.8m ≈2.52~2.8m ≈2~2.8m

操作区面积 ≈5.88㎡ ≈5.88㎡ ≈7.84㎡ ≈7.06㎡ ≈5.6㎡

设备区总面积 ≈7.28㎡ ≈5.88㎡ ≈5.95㎡ ≈6.29㎡ ≈6.46㎡

设备模块横截面形状 4个边长0.7m正方形、8个梯形 12个边长0.7m正方形 4个弦高0.7m切角弓形 8个边长0.7m正方形、8个直角三角形 4个0.98*0.7m矩形、4个0.7m切角方形、2个弦高0.7m切角弓形

[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则


通过对比可以看出,四面墙模式对应的设备模块由于横截面是弓形,设备在设计阶段需要适应弧形空间结构。但这种异形体结构会给飞船运输时的固定带来不便。而且安装位置相对固定,不同圆周位置的曲面不同,不能随意挪位置。圆周模式要比四面墙模式在安装固定方面更有利。圆周模式可以安装12个截面为正方形的设备模块。可在空间站任意一个标准舱位上安装固定。

十三、太空集装箱和双层锁紧装置:

借鉴舱内气压服原理,将货运飞船的舱门改成软质舱门。可以节省硬质舱门向内开启时占用的货舱空间。借鉴物流集装箱概念,以长方体设备模块作为太空集装箱标准尺寸(截面边长0.7m方形,长度1m或2m)。所有想向太空运送设备的公司都可以参照集装箱尺寸建造试验设备。货运飞船货舱底部安装与太空集装箱对应的固定锁。天舟号货运飞船最大直径3.35m,舱门内径0.8米。以竖立模式安装集装箱时可以在货舱里单层安装9个太空集装箱(货舱中心正对舱门处安装一个集装箱)。多层叠放模式可以一次运输更多的太空集装箱。货舱剩余空间可以用真空包装的太空食品袋填充。如果在飞船货舱内密集安装集装箱,一层最多可以装下12个。但飞船货舱舱门直径需要扩大到2米以上,否则位于货舱中心处的4个集装箱无法放入。飞船货舱装满后人员无法直接接触到货舱底部的固定锁。为了防止固定锁的遥控装置失灵,需要随船配备一个长柄钥匙(类似套筒扳手),用于手动解除固定锁。固定锁的锁孔上有导入锥,以便顺利插入钥匙扳手。当空间站为标准大气压时,根据压强公式:直径2米圆面积大约受力32.5吨;直径2.5米圆面积大约受力50.8吨;直径3米圆面积大约受力73.1吨。国际空间站对接口外径1.42米,圆周安装12个对接锁紧装置。为了运输一些超大体积的单个设备,空间站需要一个大直径的货运对接口。为了降低单个对接锁受到的拉力,可以在对接口的内外二侧同时安装对接锁紧装置。当对接口密封圈直径2.5米时,外侧可安装24个锁紧装置,内侧可安装20个锁紧装置。44个对接锁共同分担轴向拉力。货运飞船没有紧急分离的需求,可在常规的对接锁装置之外,增加一套螺栓连接装置,增加对接处的刚性并分担对接锁轴向拉力。螺栓连接装置位于对接通道内,由自动装置驱动螺栓杆旋转完成刚性连接。如驱动装置发生故障,可以在对接锁连接后向对接通道里填充2/3大气压(相当于海拔3000米的高原气压),让航天员身穿舱内气压服进入对接通道手动完成螺栓连接(空间站对接口所在舱室需要减压)。低压对接可以降低对接锁受到的拉力,降低舱内气压服承受的压力差。如果是在螺栓连接后发生驱动器故障,可以让航天员及时维修螺栓驱动器。或者在通道降压后手动解除螺栓连接,然后关闭空间站舱门,最后解除货运飞船与空间站的对接锁。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则


十四、空间站舱室正方向及地址编码规则:

二段式核心舱长度33米,气密隔断将核心舱间隔出若干段相对独立的小舱室。每个气密隔断间距根据模块长度而定。33米长的核心舱能间隔出十几层舱室。每层舱室的圆周方向都具备安装设备的条件。货运飞船也会陆续补充设备模块。为了方便各个模式的查找,需要给空间站上所有设备模块编号登记安装位置,方便以后查找。可参考高层大厦的门牌号命名方式。

地址及方向起始点:空间站最重要的就是返回舱,这是唯一逃生工具。将返回舱所在的核心舱轴向对接口作为空间站正方向、设备模块地址编号的起始点。

1、核心舱的各层舱室以数字编号排序,

2、多个核心舱轴向串联对接时,在舱室序号前加字母区分位置,舱室编号则累计排序,

3、每个节点舱最多只有4个侧向对接口,4个支线舱以“东、南、西、北”命名(以朝地或核心舱正向作为起始点顺时针排序),

4、在支线舱编号前需要加上所在节点舱的位置序号,

5、支线舱的舱室编号以核心舱为起始点重新排序,

6、支线舱串联对接时,舱室编号累计排序(支线舱串联对接长度不会太长,否则会影响空间站的整体重心平衡),

7、支线舱的二级节点舱,其侧向对接口以“A、B、C、D”命名(以朝地或核心舱正向作为起始点顺时针排序),对接三级节点舱的可能性基本为零,

8、每个舱室内的设备模块编号,以朝地或核心舱正向作为起始点顺时针排序,

9、设备模块的安装方向及操作时站位方向,以通向返回舱的路径方向作为正向。即航天员操作设备时,头顶方向为正向(逃生方向)。

10、位于核心舱的中心通道扶手缆绳以红色为主,位于支线舱的扶手缆绳以其它颜色为主,其中朝地或核心舱正向的那根缆绳为彩色绳,悬挂当前舱室的地址编号牌。

11、在中心通道孔边框上涂刷相邻隔断的地址编号,位于正向的隔断面涂刷成天蓝色,位于反方向的隔断面涂刷成地板色(帮助航天员确立方向感)。人在地面受到地心引力的影响,即便闭上眼睛身体的触觉也会把重力感知传递给大脑,让大脑建立方向感。失重环境下身体的触觉无法感知重力信号。可以用眼睛把看到的方向暗示传递给大脑。隔断上下二面的颜色差异、设备面板的统一朝向,都可以向航天员暗示方向感。[原创]多舱段空间站正方向及设备地址编码规则

发表评论
发表评论

网友评论仅供其表达个人看法,并不表明铁血立场。

全部评论
加载更多评论
更多精彩内容