基于航天员操作的空间站舱外载荷照料方法

技术领域

本发明涉及载人航天器总体设计技术领域，涉及一种载人航天器对在轨更换舱外载荷的照料方法，尤其涉及一种基于航天员操作的载人航天器对在轨更换舱外载荷的照料方法。

背景技术

为了高效的配置资源，我国空间站在问天实验舱、梦天实验舱的舱外设置暴露平台，在暴露平台上安装大量的舱外载荷接口支持设备，集中开展舱外载荷支持试验。

载荷适配器作为我国空间站舱外载荷的接口支持设备，分为主动端和被动端两个部分，两个部分在轨匹配使用。其中载荷适配器被动端安装在问天舱外暴露平台、梦天舱外暴露平台和梦天货物气闸舱载荷转移机构上，载荷适配器被动端由机械结构和各种接口连接器组成，与空间站上的配电、信息、热控系统相连。载荷适配器主动端由机械结构、电控系统、电机、传动机构、锁紧/解锁组件、连接器和手动操作接口组成。其中电机和手动操作接口均与传动机构相联，通过电控系统控制电机或通过外力矩转动手动操作接口都可以驱动传动机构，进而带动锁紧/解锁组件实现锁紧或解锁功能。

载荷适配器主动端通过货运飞船上行，航天员在轨在舱内将载荷适配器主动端、舱外载荷、机械臂目标适配器组装在一起，组成载荷组合体，并将载荷适配器主动端的供电/控制电缆与机械臂目标适配器上的连接器相联。当机械臂在舱外抓住机械臂目标适配器时，载荷适配器主动端就与机械臂的供电、控制系统联通，可以接收机械臂发送的指令，控制电机驱动传动机构，进而驱动锁紧组件，实现对载荷适配器被动端的锁紧或解锁。

通常情况下，空间站舱外载荷的照料工作由机械臂和舱外载荷适配器主动端共同完成。在安装舱外载荷前，由航天员在舱内使用电动螺丝刀通过载荷适配器主动端的手动操作接口将载荷组合体锁紧在货物气闸舱载荷转移机构的被动端上，之后通过载荷转移机构将载荷组合体转移至舱外，再由机械臂转移至暴露平台上指定的载荷适配器被动端处，完成载荷适配器主、被动端的对接后，控制主动端完成对被动端的锁紧，实现空间站配电、信息、热控系统与舱外载荷之间的联通。在完成舱外载荷安装后，机械臂撤离，载荷适配器的主、被动端通过结构设计保持彼此之间的锁紧状态，可以长时间支持舱外载荷开展试验。

在舱外载荷完成试验后，由机械臂抓取载荷组合体上的机械臂目标适配器，控制载荷适配器主动端实现与被动端的解锁、分离，并将载荷组合体转移至货物气闸舱外，与载荷转移机构上的载荷适配器被动端对接，控制载荷适配器主动端锁紧被动端，最后由转移机构将载荷组合体转移至舱内。

由于太空中环境恶劣，载荷适配器主动端长期暴露在太空环境中，其电器组件存在失效的可能。若载荷适配器主动端的电器组件失效，将无法通过机械臂操作实现载荷适配器主动端、被动端的解锁与分离，舱外载荷也无法被回收至舱内，载荷研制方将损失载荷设备和实验样本。同时，故障的载荷适配器主动端会长期占用暴露平台上的载荷适配器被动端的空间，造成空间站载荷支持资源的浪费，也给航天员出舱活动带来安全隐患。

发明内容

为应对载荷适配器主动端失效的风险，本发明给出了一种基于航天员操作的空间站舱外载荷照料方法，可以通过航天员操作将故障的载荷适配器主动端和其承载的舱外载荷回收至舱内，以解决载荷适配器主动端故障后，载荷适配器主动端和舱外载荷无法回收的难题。

本发明提供一种基于航天员操作的空间站舱外载荷照料方法，包括如下步骤：

S1、航天员a与航天员b分别从气闸舱出舱，航天员a乘坐机械臂移动至故障的载荷适配器的位置，航天员b通过舱外爬行方式移动至故障的载荷适配器的位置，航天员a携带有组装延长杆的舱外电动螺丝刀和舱外把手；

S2、航天员b移动至舱外载荷上安装机械臂目标适配器的一侧，辅助站在机械臂操作台上的航天员a将舱外把手安装固定在机械臂目标适配器的快插接口上；其中，载荷适配器主动端、舱外载荷、机械臂目标适配器组装成载荷组合体；

S3、航天员b辅助航天员a将舱外电动螺丝刀插入载荷适配器主动端的手动操作接口，航天员a在抓住舱外把手的同时操作舱外电动螺丝刀，对载荷适配器主动端与载荷适配器被动端进行解锁；

S4、航天员b抓住舱外把手，防止舱外载荷漂移，同时航天员a将舱外电动螺丝刀固定在机械臂操作台上；

S5、航天员a双手抓住舱外把手，将载荷组合体从载荷适配器被动端上取下，在此过程中，航天员b实时向航天员a反馈载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的对接状态，直至完成载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的分离；

S6、航天员a利用舱外把手将载荷组合体连接到机械臂操作台上，并双手抓住舱外把手，乘坐机械臂将载荷组合体转移至气闸舱舱门处，以及航天员b通过舱外爬行方式移动至气闸舱舱门处；

S7、打开气闸舱舱门，推出载荷转移机构，航天员a双手抓住舱外把手，对载荷组合体进行操作，实现载荷适配器主动端与载荷转移机构上的载荷适配器被动端的对接，在此过程中，航天员b实时向航天员a反馈载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的对接状态，直至完成载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的对接；

S8、航天员b辅助航天员a将舱外电动螺丝刀插入载荷适配器主动端的手动操作接口，航天员a在抓住舱外把手的同时操作舱外电动螺丝刀，对载荷适配器主动端与载荷适配器被动端进行锁紧；

S9、航天员a和航天员b携带舱外电动螺丝刀返回舱内；

S10、载荷转移机构按照正常的载荷回舱流程将带有舱外把手的载荷组合体转移回舱内。

优选地，在步骤S3与步骤S8中，当航天员a操作舱外电动螺丝刀沿顺时针或逆时针转动特定圈数，且无法继续转动时，完成解锁或锁紧操作。

优选地，在步骤S5与步骤S7中，航天员b通过观察载荷适配器主动端与载荷适配器被动端上的对接状态视觉反馈标志，实时向航天员a反馈载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的对接状态。

本发明能够取得的有益效果如下：

在载荷适配器主动端发生故障时，航天员利用舱外电动螺丝刀手动操作载荷适配器主动端的手动操作接口方式实现载荷组合体与载荷适配器被动端的分离，再将载荷组合体转移到载荷转移机构上，按照载荷转移机构正常的载荷回舱流程将载荷组合体转移回舱内，从而实现故障的载荷适配器主动端和其承载的舱外载荷的回收。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的载荷组合体的结构图；

图2是根据本发明实施例提供的载荷适配器主动端的立体图；

图3是根据本发明实施例提供的载荷适配器主动端的仰视图；

图4是根据本发明实施例提供的延长杆的结构图；

图5是根据本发明实施例提供的舱外电动螺丝刀对载荷适配器主动端、被动端进行锁紧或解锁的情景图；

图6是根据本发明实施例提供的基于航天员操作的空间站舱外载荷照料方法的流程图。

附图标记：机械臂目标适配器1、舱外载荷2，载荷适配器主动端3、主体框架结构301、电控系统302、浮动连接器组件303、电连接器304、锁紧/解锁组件305、定位组件306、电机组件307、视觉指示组件308、手动操作接口309、丝杠310、第一W型机架311、第二W型机架312、延长杆4、舱外电动螺丝刀的操作杆401、压紧组件402、套筒403、延长六方杆404、载荷适配器被动端5。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

为了便于理解基于航天员操作的空间站舱外载荷照料方法，先对本发明所使用到的硬件设备进行展开说明。

1、载荷组合体

图1示出了根据本发明实施例提供的载荷组合体的结构。

如图1所示，载荷组合体由机械臂目标适配器1（为现有技术，故只示出示意性结构）、舱外载荷2、载荷适配器主动端3组装而成，机械臂目标适配器1与载荷适配器主动端3装配在舱外载荷2相对的两个表面，载荷适配器主动端3具有手动操作接口309。

载荷适配器主动端3有手动操作接口309一侧的表面以及载荷适配器被动端与手动操作接口309相对的表面均设置有对接状态视觉反馈标志，可表征载荷适配器主、被动端的对接状态。视觉反馈标志与航天员在舱外着航天服的视觉观察能力匹配。

图2与图3分别从两个视角示出了根据本发明实施例提供的载荷适配器主动端的结构。

如图2和图3所示，载荷适配器主动端3包括主体框架结构301、电控系统302、浮动连接器组件303、电连接器304、锁紧/解锁组件305、定位组件306、电机组件307、视觉指示组件308、手动操作接口309、丝杠310、第一W型机架311和第二W型机架312。

锁紧/解锁组件305固定在第一W型机架311和第二W型机架312上，第一W型机架311和第二W型机架312均安装在丝杠310上，电机组件307的驱动轴与丝杠310相连。在正常情况下，载荷适配器主动端是由电控系统302控制电机组件307转动，带动丝杠310旋转，进而带动第一W型机架311和第二W型机架312沿着丝杠310方向进行水平运动。载荷适配器被动端在对应位置设置有与锁紧/解锁组件305相匹配的结构，当锁紧/解锁组件305运动至载荷适配器被动端的匹配结构时，载荷适配器主动端和载荷适配器被动端即会锁在一起，无法分离；当锁紧/解锁组件305远离载荷适配器被动端的匹配结构时，载荷适配器主动端和载荷适配器被动端相解锁，实现彼此分离。手动操作接口309与丝杠310同轴，当电机组件307驱动丝杠310旋转时，手动操作接口309也随着一起旋转；当电机组件307不工作时，也可以通过旋转手动操作接口309带动丝杠310旋转，达到带动第一W型机架311和第二W型机架312沿着丝杠310方向进行水平运动的目的。

2、组装延长杆的舱外电动螺丝刀

舱外电动螺丝刀可以在空间站舱外，在航天员着航天服的条件下使用，提供定向、定量力矩，并可记录自身钻头转动圈数。可选用、但不限于空间站上的通用舱外电动工具。

延长杆为长度与中型标准舱外载荷本体高度一致的金属长杆。延长杆的一端有压紧组件402，通过压紧组件402将延长杆安装在舱外电动螺丝刀的钻头上，与钻头一起旋转，对外提供力矩，延长杆能够延长舱外电动螺丝刀的操作距离；延长杆的另一端与载荷适配器主动端的手动操作接口309匹配。

图4示出了根据本发明实施例提供的延长杆的结构。

如图4所示，延长杆包括压紧组件402、套筒403和延长六方杆404，延长六方杆404的一端穿过套筒403通过压紧组件402与舱外电动螺丝刀的操作杆401锁紧，延长六方杆404的另一端与手动操作接口309匹配。

图5示出了根据本发明实施例提供的舱外电动螺丝刀对载荷适配器主动端、被动端进行锁紧或解锁的情景。

如图5所示，在延长杆插入载荷适配器主动端3的手动操作接口后，可以向手动操作接口施加外力矩，从而带动锁紧/解锁组件实现载荷适配器主动端3与载荷适配器被动端5的锁紧或解锁。

载荷适配器主动端的手动操作接口突出载荷适配器主动端的本体包络，舱外载荷安装在载荷适配器主动端上之后及在轨工作状态下，舱外载荷在载荷适配器主动端安装面上的投影，不可超出载荷适配器主动端的手动操作接口所在一侧的本体包络，不可影响延长杆操作手动操作接口。

3、舱外把手

舱外把手固定在机械臂目标适配器的快插接口上，舱外把手的尺寸要满足航天员在位于舱外载荷的机械臂目标适配器一侧和载荷适配器主动端的手动操作接口一侧的两种体位下的抓握、移动舱外载荷功能。舱外把手上具有限位结构，与机械臂舱外操作台相联，使航天员站在机械臂操作台上双手抓握舱外把手转移舱外载荷时，减小舱外载荷的晃动，辅助航天员完成转移工作。

图6示出了根据本发明实施例提供的基于航天员操作的空间站舱外载荷照料方法的流程。

如图6所示，本发明实施例提供的基于航天员操作的空间站舱外载荷照料方法，包括如下步骤：

S1、航天员a与航天员b分别从气闸舱出舱，航天员a乘坐机械臂移动至故障的载荷适配器的位置，航天员b通过舱外爬行方式移动至故障的载荷适配器的位置，航天员a携带有组装延长杆的舱外电动螺丝刀和舱外把手。

两名航天员在舱内完成舱外电动螺丝刀和延长杆的组装，航天员a携带组装延长杆的舱外电动螺丝刀和舱外把手出舱。

S2、航天员b移动至舱外载荷上安装机械臂目标适配器的一侧，辅助站在机械臂操作台上的航天员a将舱外把手安装固定在机械臂目标适配器的快插接口上；其中，载荷适配器主动端、舱外载荷、机械臂目标适配器组装成载荷组合体。

将舱外把手安装在固定在机械臂目标适配器的快插接口上，用于为后续载荷组合体与载荷适配器被动端的分离做准备。

S3、航天员b辅助航天员a将舱外电动螺丝刀插入载荷适配器主动端的手动操作接口，航天员a在抓住舱外把手的同时操作舱外电动螺丝刀，对载荷适配器主动端与载荷适配器被动端进行解锁。

当航天员a操作舱外电动螺丝刀沿一个方向转动特定圈数且无法继续转动时，完成载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的解锁操作，实现故障的载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的分离。

S4、航天员b抓住舱外把手，防止舱外载荷漂移，同时航天员a将舱外电动螺丝刀固定在机械臂操作台上。

S5、航天员a双手抓住舱外把手，将载荷组合体从载荷适配器被动端上取下，与此同时，航天员b实时向航天员a反馈载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的对接状态，直至完成载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的分离。

在航天员a从载荷适配器被动端取下载荷组合体的过程中，航天员b通过观察载荷适配器主动端与载荷适配器被动端上的对接状态视觉反馈标志，实时向航天员a反馈载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的对接状态。

S6、航天员a利用舱外把手将载荷组合体连接到机械臂操作台上，并双手抓住舱外把手，乘坐机械臂将载荷组合体转移至气闸舱舱门处，以及航天员b通过舱外爬行方式移动至气闸舱舱门处。

S7、打开气闸舱舱门，推出载荷转移机构，航天员a双手抓住舱外把手，对载荷组合体进行操作，实现载荷适配器主动端与载荷转移机构上的载荷适配器被动端的对接，与此同时，航天员b实时向航天员a反馈载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的对接状态，直至完成载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的对接。

在航天员a双手抓住舱外把手实现载荷适配器主动端与载荷适配器被动端对接的过程中，航天员b通过观察载荷适配器主动端与载荷适配器被动端上的对接状态视觉反馈标志，实时向航天员a反馈载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的对接状态。

S8、航天员b辅助航天员a将舱外电动螺丝刀插入载荷适配器主动端的手动操作接口，航天员a在抓住舱外把手的同时操作舱外电动螺丝刀，对载荷适配器主动端与载荷适配器被动端进行锁紧。

当航天员a操作舱外电动螺丝刀沿反方向转动特定圈数且无法继续转动时，完成载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的锁紧操作，实现故障的载荷适配器主动端与载荷转移机构上的载荷适配器被动端的对接。

S9、航天员a和航天员b携带舱外电动螺丝刀返回舱内。

S10、载荷转移机构按照正常的载荷回舱流程将带有舱外把手的载荷组合体转移回舱内。

在载荷适配器主动端发生故障时，本发明的照料方法能够通过航天员利用舱外电动螺丝刀手动操作载荷适配器主动端的手动操作接口的方式实现载荷组合体与载荷适配器被动端的分离，再将载荷组合体转移到载荷转移机构上，按照载荷转移机构正常的载荷回舱流程将载荷组合体转移回舱内，从而实现故障的载荷适配器主动端和其承载的舱外载荷的回收。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。