空間站再生生保系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 滔, 李廣利, 楊潤澤, 彭 卓, 張勇平, 劉向陽, 吳志強(qiáng)

(中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094)

1 引言

再生生保技術(shù)是空間站關(guān)鍵技術(shù)之一,再生生保系統(tǒng)主要由電解制氧系統(tǒng)、CO2去除系統(tǒng)、CO2還原系統(tǒng)、微量有害氣體去除系統(tǒng)、尿處理系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)組成[1]。再生生保系統(tǒng)利用物理、化學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)大氣凈化、氧氣再生、冷凝水和尿液的凈化回收,大幅降低空間站長期載人運(yùn)行的補(bǔ)給需求。其涵蓋機(jī)械、電子、化工、材料、生物等眾多學(xué)科專業(yè),力學(xué)、熱場、流場、氣密、工效等指標(biāo)要求高,眾多的約束條件相互制約。再生生保系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)是將各系統(tǒng)內(nèi)部眾多功能元件(部件)集合為若干在軌可維修的功能單元(組件),再組合成一個(gè)復(fù)雜裝置(系統(tǒng))的過程,集成設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出更明顯的多領(lǐng)域、多專業(yè)需求驅(qū)動(dòng)與技術(shù)約束的特征[2]。最終的集成方案需均衡考慮多方面的影響,合理取舍,優(yōu)化組合,其目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)再生生保系統(tǒng)功能性能滿足要求、運(yùn)行可靠、易于維修維護(hù)。

國際空間站再生系統(tǒng)多采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜式集成方案,各再生系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì),以抽屜形式裝入標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜,在軌維修時(shí)通過導(dǎo)軌拉出抽屜。這種方案維修性比較好,但抽屜式集成形式需要較多的結(jié)構(gòu)支撐件,結(jié)構(gòu)重量占比較大,不利于系統(tǒng)輕量化,同時(shí)空間利用率相對(duì)較低。國內(nèi)前期的短期載人飛行器中,產(chǎn)品多以部(組)件形式交付裝艙,基本沒有系統(tǒng)集成要求,在軌維修需求也較低,缺乏可參考的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的成熟經(jīng)驗(yàn)。中國空間站的空間、重量及維修資源等約束與國際空間站有較大區(qū)別,總體技術(shù)要求中明確:艙體次結(jié)構(gòu)不提供翻轉(zhuǎn)功能,以固定安裝的形式安裝再生生保系統(tǒng)。因此,需要建立適合中國空間站再生生保系統(tǒng)功能特點(diǎn)和約束條件的集成方案,以確保再生生保系統(tǒng)在軌穩(wěn)定運(yùn)行,并具有良好的在軌可維修性。

本文提出了空間站再生生保系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行了仿真驗(yàn)證、地面試驗(yàn)驗(yàn)證及全面在軌驗(yàn)證,并從系統(tǒng)維修性、集成度和輕量化等方面評(píng)估該集成方案的優(yōu)勢。

2 集成設(shè)計(jì)方案

再生生保系統(tǒng)必須保證單機(jī)高可靠、發(fā)生故障時(shí)可維修、需要時(shí)可更換,以滿足中國空間站15 年在軌運(yùn)行壽命要求[3]。因此,再生生保系統(tǒng)的集成方案必須滿足在軌可維修性才能達(dá)到長期運(yùn)行的目標(biāo),維修性設(shè)計(jì)也貫穿于集成設(shè)計(jì)全過程?；诰S修性的集成設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)布局方案、總體接口方案、在軌可更換單元(Orbital Replacement Unit,ORU)集成設(shè)計(jì)、管接頭標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及標(biāo)識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。

2.1 系統(tǒng)布局方案

綜合考慮艙內(nèi)真空接口、通風(fēng)接口、各再生生保系統(tǒng)重量分配、系統(tǒng)間的耦合關(guān)系等多方面約束,將再生生保的6 個(gè)系統(tǒng)布置在艙段同一環(huán)形區(qū)域4 個(gè)象限的機(jī)柜內(nèi)。每個(gè)再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)了整體翻轉(zhuǎn)式的集成方案,位于機(jī)柜正面的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)原位維修,位于機(jī)柜背面封閉空間內(nèi)的產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)至通道內(nèi)進(jìn)行維修。圖1 為電解制氧系統(tǒng)的布局和在軌維修示意圖。

圖1 電解制氧系統(tǒng)布局與在軌維修示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrolysis oxygen generation system layout and on-orbit maintenance

合理的布局設(shè)計(jì)是滿足維修性要求的關(guān)鍵,布局設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮安全可靠性、操作便利性、系統(tǒng)流程相關(guān)性、影響最小化4 個(gè)方面:

1)安全可靠性。優(yōu)先考慮在軌操作過程安全,避免維修操作時(shí)真空泄漏、工質(zhì)泄漏、高溫高電壓等風(fēng)險(xiǎn);布局保證產(chǎn)品重量分布合理,結(jié)構(gòu)可靠,滿足發(fā)射和地面試驗(yàn)的強(qiáng)度、剛度要求。

2)操作便利性。對(duì)于日常操作、維修頻率高的產(chǎn)品及消耗品,優(yōu)先布置在便于觀察和操作的位置;有操作要求的面板、有維修要求的ORU、接頭布置在前側(cè)或上側(cè),使其具有良好的可視、可達(dá)性。

3)流程相關(guān)性。按系統(tǒng)運(yùn)行流程和工質(zhì)流動(dòng)路徑合理布局各功能部組件,避免管路、電纜過長,避免相互交錯(cuò);同時(shí)預(yù)留了足夠的長度確保維修時(shí)管路、電纜不受過度拉扯和彎折。

4)影響最小化。ORU 間布局相互不關(guān)聯(lián),在布局時(shí)盡量實(shí)現(xiàn)一次可視可達(dá),避免額外拆除其他ORU。

依據(jù)各再生系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn),再生生保系統(tǒng)的布局分為結(jié)構(gòu)板式和框架式2 類。電解制氧、水處理、尿處理為第一類,特點(diǎn)是單機(jī)產(chǎn)品較小,多個(gè)單機(jī)集成為1 個(gè)ORU,ORU 集成度較高,工質(zhì)為液體,管路通徑較小。因此均采用結(jié)構(gòu)板式布局(圖2)。結(jié)構(gòu)板正反面安裝產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)板不參與密封,只作為承力結(jié)構(gòu),各ORU 之間采用軟管連接。布局過程中充分分析各個(gè)ORU 的壽命、可靠性、日常操作、安裝接口、管路電纜接口、重量及質(zhì)心位置等多方面因素,將ORU 合理有效地布置在結(jié)構(gòu)板上,使其能夠滿足安裝、維修、日常操作、可視、可達(dá)、力學(xué)性能等要求。

圖2 結(jié)構(gòu)板式布局Fig.2 Layout of structural plate

CO2去除和微量有害氣體去除系統(tǒng)為第二類,特點(diǎn)是單機(jī)產(chǎn)品一般體積較大,1 個(gè)單機(jī)即為一個(gè)ORU。ORU 數(shù)量多,工質(zhì)為氣體,管路通徑較大,真空管路密封要求高,通風(fēng)管路流阻要求高。這2 個(gè)系統(tǒng)均采用框架式布局(圖3),框架正面安裝閥門類產(chǎn)品,背面安裝體積大、重量大的凈化器類產(chǎn)品,管路采用大口徑金屬波紋管。

圖3 框架式布局Fig.3 Frame layout

2.2 總體接口方案

接口設(shè)計(jì)是集成設(shè)計(jì)的重要部分,接口是再生系統(tǒng)與艙體的聯(lián)系和界面劃分,接口設(shè)計(jì)力求界面清晰、連接可靠、維修便利。圖4 是電解制氧的接口設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖4 電解制氧系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)圖Fig.4 Interface design diagram of electrolytic oxygen generation system

1) 安裝接口(圖4(a))。艙體提供耳片,再生系統(tǒng)底板與耳片固定。安裝接口的設(shè)計(jì)確保承受發(fā)射狀態(tài)的力學(xué)環(huán)境,在軌首次進(jìn)駐后,拆除再生系統(tǒng)底板與耳片的所有固定連接,使用少量手?jǐn)Q螺釘即可確保在軌運(yùn)行期的固定。

2) 轉(zhuǎn)軸設(shè)置。在系統(tǒng)底部設(shè)置翻轉(zhuǎn)軸,轉(zhuǎn)軸在發(fā)射狀態(tài)不承受載荷,確保在軌翻轉(zhuǎn)可靠。

3) 管線接口(圖4(b))。在轉(zhuǎn)軸附近設(shè)置接口面板,再生系統(tǒng)的對(duì)外管路、電纜統(tǒng)一與接口面板連接,接口面板固定安裝在艙體儀器板上。對(duì)外管路和電纜預(yù)留長度,布置在轉(zhuǎn)軸附近,系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)時(shí)無需斷開管路和電纜。接口設(shè)計(jì)綜合考慮并滿足地面安裝及試驗(yàn)、發(fā)射力學(xué)條件、在軌操作維修等要求。

2.3 ORU 集成設(shè)計(jì)

ORU 是可在軌進(jìn)行移動(dòng)、檢查、更換、維修的最底層部件,ORU 的確定決定了再生系統(tǒng)維修設(shè)備的數(shù)量、維修方式以及維修方案[4]。ORU 維修性設(shè)計(jì)是集成設(shè)計(jì)的重點(diǎn),ORU 劃分選擇是再生生保系統(tǒng)維修保障資源、系統(tǒng)體積規(guī)模和系統(tǒng)維修時(shí)間的重要影響因素,是開展維修性詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。ORU 的劃分按以下3 步開展。

1) 首先對(duì)再生生保系統(tǒng)以從上至下的方式開展物理和功能層次分解,從而明確從系統(tǒng)到單機(jī)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2) 從安全性、可測試性、壽命及維修保障資源等方面,綜合分析在軌維修的約束因素和設(shè)計(jì)要求:ORU 內(nèi)部產(chǎn)品壽命相近[5];消耗性產(chǎn)品作為獨(dú)立的ORU;ORU 間的接口關(guān)系盡量少,以利于更換ORU 時(shí)氣液、機(jī)械、電接口的斷開和連接;對(duì)于ORU 內(nèi)有單獨(dú)維修需求的傳感器類、消耗類產(chǎn)品,在ORU 的基礎(chǔ)上嵌套ORU。

3) 根據(jù)ORU 可在軌維修的相關(guān)要求,通過邏輯決斷初步劃分系統(tǒng)的ORU,形成系統(tǒng)ORU劃分的初步方案。

在系統(tǒng)ORU 初步劃分結(jié)果的基礎(chǔ)上,再從系統(tǒng)所需維修保障資源、系統(tǒng)維修時(shí)間和系統(tǒng)安裝空間三方面要求逐一核查,反復(fù)調(diào)整ORU 劃分的顆粒度,使ORU 劃分方案盡可能滿足各方面的要求。最終劃分得到各再生系統(tǒng)的ORU 數(shù)量在16～25 個(gè)之間。

ORU 集成設(shè)計(jì)與ORU 劃分基本同步開展,重點(diǎn)考慮滿足在軌維修的需求。圖5 是再生生保系統(tǒng)中幾個(gè)ORU 的典型集成設(shè)計(jì)示例。在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí),綜合考慮了影響在軌維修的各個(gè)因素,如去掉管路連接,增加內(nèi)部流道設(shè)計(jì);對(duì)外管路接口集中布置,且考慮斷接器操作空間和便利性;對(duì)外電接口的布置考慮電連接器的操作空間及其安全性;安裝接口保證拆裝方便,并進(jìn)行防差錯(cuò)識(shí)別標(biāo)記設(shè)計(jì)和安全性設(shè)計(jì);操作手柄布置在合適位置,周圍留有足夠的操作空間。

圖5 ORU 集成設(shè)計(jì)示例Fig.5 Example of ORU integrated design

2.4 管接頭標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

為減少ORU 接口種類,簡化ORU 接口操作難度,需要對(duì)ORU 氣液路接口進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)[6]。再生系統(tǒng)中管接頭規(guī)格型號(hào)較多,為實(shí)現(xiàn)管路的在軌快速拆裝,將各類管接頭進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和型譜化設(shè)計(jì),通徑涵蓋所有再生系統(tǒng)。與傳統(tǒng)管接頭相比,型譜化的斷接器發(fā)射狀態(tài)連接不用涂膠,在軌斷接操作便利。可以避免涂膠帶來的多余物,減小操作力,縮短操作時(shí)間,有效提高再生系統(tǒng)的維修工效。圖6 是再生系統(tǒng)中所用的氣路斷接器和液路斷接器型譜示意圖。

圖6 型譜化斷接器Fig.6 Serialized quick disconnect

2.5 標(biāo)識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

維修性設(shè)計(jì)的過程中,應(yīng)該做好識(shí)別標(biāo)記工作[7]。為確保航天員在軌安全、正確、高效地完成人機(jī)界面相關(guān)操作,對(duì)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),包括中文名稱標(biāo)識(shí)、管路及電連接器標(biāo)識(shí)、安裝對(duì)位標(biāo)識(shí)、警示標(biāo)識(shí)、禁止標(biāo)識(shí)、操作說明標(biāo)識(shí)、防誤操作標(biāo)識(shí)等(圖7)。再生系統(tǒng)ORU 接口復(fù)雜,狹小空間內(nèi)有誤操作的風(fēng)險(xiǎn);統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)及粘貼要求,配合在布局上采取的結(jié)構(gòu)防誤措施以及使用上的程序防誤措施,可以有效降低在軌誤操作風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)Fig.7 Identification design

3 集成設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

對(duì)集成設(shè)計(jì)進(jìn)行工效學(xué)仿真驗(yàn)證及力學(xué)仿真驗(yàn)證,提前識(shí)別問題并進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。

1)工效仿真驗(yàn)證。通過使用數(shù)字人體完成維修過程的模擬,可對(duì)設(shè)計(jì)中待維修產(chǎn)品布局的可達(dá)性、可視性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證,并對(duì)維修流程、維修步驟、維修所需的工具、輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)滿足情況進(jìn)行評(píng)價(jià),及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理的設(shè)計(jì)并進(jìn)行改進(jìn)。維修工效要求一直貫穿集成設(shè)計(jì)過程,在布局設(shè)計(jì)階段即對(duì)各再生生保的三維數(shù)字模裝進(jìn)行工效仿真分析,以JACK 軟件作為基礎(chǔ)軟件,建立空間站三維模型和數(shù)字航天員模型,主要仿真驗(yàn)證項(xiàng)目包括操作空間、可視可達(dá)性及失重狀態(tài)下的維修姿態(tài)等(圖8)。經(jīng)過仿真驗(yàn)證,集成設(shè)計(jì)方案在產(chǎn)品布局位置、安裝螺釘布置、操作干涉、界面安全性等方面進(jìn)行了優(yōu)化迭代。

圖8 工效仿真驗(yàn)證Fig.8 Ergonomic simulation verification

2)力學(xué)仿真驗(yàn)證。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,利用PATRAN/NASTRAN 對(duì)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行仿真計(jì)算(圖9),優(yōu)化迭代。在蜂窩板重點(diǎn)區(qū)域預(yù)埋碳纖維橫梁,以較小的重量代價(jià)獲得了整體剛度較大的提升。同時(shí)根據(jù)蜂窩板的力學(xué)特性進(jìn)行了產(chǎn)品的布局優(yōu)化。利用ANSYS/FLUENT 進(jìn)行流體仿真,校核管路系統(tǒng)流阻(圖9),對(duì)管路布局走向和管接頭的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

圖9 力學(xué)仿真驗(yàn)證Fig.9 Mechanical simulation verification

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)集成設(shè)計(jì)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性,包括工效試驗(yàn)驗(yàn)證及力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)工效試驗(yàn)驗(yàn)證。為了對(duì)維修方案和維修程序的合理性、可行性進(jìn)行驗(yàn)證,均需要通過地面或在軌試驗(yàn)開展維修性驗(yàn)證[8]。再生系統(tǒng)初樣階段在整艙環(huán)境下開展了一系列工效驗(yàn)證試驗(yàn),如:發(fā)射狀態(tài)固定連接件拆除、系統(tǒng)整體翻轉(zhuǎn)、典型產(chǎn)品更換等(圖10)。驗(yàn)證了再生系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)過程中管路、電纜等對(duì)外接口的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況、干涉情況;驗(yàn)證了安裝的正確性和在軌翻轉(zhuǎn)的可行性;驗(yàn)證了ORU 的維修操作空間。同時(shí),再生系統(tǒng)多套實(shí)物產(chǎn)品完成了內(nèi)部ORU 的維修性工效驗(yàn)證與評(píng)價(jià),全部工效評(píng)價(jià)項(xiàng)目均合格。

圖10 工效驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.10 Ergonomic verification test

2)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證。利用再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件開展了力學(xué)摸底試驗(yàn),驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)余量,針對(duì)部分薄弱區(qū)域,進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化,提高了承力結(jié)構(gòu)整體剛度和強(qiáng)度。通過對(duì)各ORU 安裝面的響應(yīng)數(shù)據(jù)分析,確定了再生生保系統(tǒng)內(nèi)部單機(jī)產(chǎn)品的力學(xué)環(huán)試條件。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的再生系統(tǒng)通過鑒定級(jí)力學(xué)環(huán)試驗(yàn)證,再生系統(tǒng)裝艙順利通過了整艙力學(xué)試驗(yàn),驗(yàn)證了再生系統(tǒng)力學(xué)特性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 在軌驗(yàn)證

2021 年4 月29 日,天和核心艙成功發(fā)射,標(biāo)志著中國空間站在軌組裝建造階段全面展開。截止目前,再生生保系統(tǒng)在中國空間站上經(jīng)歷了SZ-12 至SZ-14 任務(wù)階段的全面在軌驗(yàn)證(圖11),設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

圖11 在軌維修驗(yàn)證Fig.11 On-orbit maintenance verification

SZ-12 和SZ-14 任務(wù)期間,在天和核心艙和問天實(shí)驗(yàn)艙開展了再生生保專項(xiàng)維修模擬驗(yàn)證,對(duì)再生系統(tǒng)背面的產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行檢查和模擬維修驗(yàn)證。驗(yàn)證了再生系統(tǒng)維修工況下整體翻轉(zhuǎn)方案、ORU 布局設(shè)計(jì)、專用維修工具等項(xiàng)目,維修時(shí)間、維修效果均滿足要求。驗(yàn)證結(jié)果表明: ①再生生保的集成設(shè)計(jì)整體翻轉(zhuǎn)維修方案合理可行,翻轉(zhuǎn)過程順暢,無干涉現(xiàn)象; ②結(jié)構(gòu)框架及安裝接口設(shè)計(jì)合理,發(fā)射載荷下無明顯變形; ③ORU 布局合理,操作接口可視、可達(dá),維修工效滿足要求。

4 分析與評(píng)估

4.1 維修性

通過對(duì)多種維修方案(圖12)的正面空間利用率、背面維修性、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)重量占比和管線布局等多個(gè)維度對(duì)比分析,整體翻轉(zhuǎn)式的維修方案綜合最優(yōu)。整體翻轉(zhuǎn)式維修方案正面空間利用率高,所有需要定期更換及日常操作的ORU 布置于安裝板正面,可以實(shí)現(xiàn)原位操作及維修。維修安裝板背面的ORU 時(shí),不需斷開系統(tǒng)對(duì)外電纜及管路接口,即可整體翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)至通道內(nèi);系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)后不脫離機(jī)柜,可以利用機(jī)柜內(nèi)空間。

圖12 在軌維修方案比較Fig.12 Comparison of on-orbit maintenance schemes

4.2 集成度

通常意義的集成度考慮單位空間內(nèi)集成產(chǎn)品的數(shù)量或重量,在再生系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)過程中更多考慮將多種功能進(jìn)行有效的集成,在提高傳統(tǒng)意義集成度的同時(shí),提高維修工效。

在CO2去除系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)中,為解決維修工效、管路流阻、接口密封的耦合關(guān)系,將大口徑管路與結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)(圖13),管路只作為氣路連接和密封,不承受載荷。與分體式設(shè)計(jì)相比具有以下3 個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn):

圖13 大口徑管路與框架一體化設(shè)計(jì)Fig.13 Integrated design of large diameter pipeline and frame

1) 管路置于框架中間,兩側(cè)連接產(chǎn)品,維修產(chǎn)品時(shí)不需拆裝管路,維修性更容易保證;

2) 管路長度縮短,流阻降低,系統(tǒng)功能更容易實(shí)現(xiàn);

3) 框架兩側(cè)產(chǎn)品的安裝接口與密封接口合二為一,減少連接件,重量指標(biāo)更容易滿足。

4.3 輕量化

再生系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中重點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)。板式結(jié)構(gòu)和框架式結(jié)構(gòu)都是再生系統(tǒng)的核心承力部件,是系統(tǒng)承載其各單機(jī)產(chǎn)品、管路、線纜等的主要承載結(jié)構(gòu)。承力結(jié)構(gòu)同時(shí)也為再生系統(tǒng)提供與艙體連接的安裝接口。

為滿足強(qiáng)度、剛度要求,同時(shí)達(dá)到減重目標(biāo),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架采用復(fù)合材料。電解制氧系統(tǒng)、尿處理系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)安裝板采用鋁蜂窩芯加碳纖維蒙皮的蜂窩板結(jié)構(gòu),面板為高模高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料,夾芯為加密鋁蜂窩,板內(nèi)預(yù)埋鋁合金埋件提供與單機(jī)設(shè)備、機(jī)柜等連接接口,預(yù)埋梁提高局部剛度,底板與中立板之間增加支撐桿提高安裝板基頻(圖14(a))。

圖14 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)框架Fig.14 Structural frame of composite material

CO2去除系統(tǒng)、微量有害氣體去除系統(tǒng)采用碳纖維成型框架(圖14(b))。復(fù)合材料框架采用碳纖維熱溶預(yù)浸料鋪放工藝,產(chǎn)品的外形精度由金屬對(duì)模加壓成型實(shí)現(xiàn);精度要求較高的接口連接件采用金屬件,金屬件與復(fù)合材料框架通過膠螺或膠鉚方式連接。復(fù)合材料框架上的各種孔位精度通過整體鉆模保證。

在采用復(fù)合材料的基礎(chǔ)上,經(jīng)過不斷地結(jié)構(gòu)優(yōu)化,各再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架與系統(tǒng)的重量占比控制在10.3%～17.4%范圍內(nèi),顯著優(yōu)于國際空間站水平。

5 結(jié)論

本文針對(duì)空間站重量、體積等約束條件,提出了再生系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行了維修方案、結(jié)構(gòu)框架及管路、布局及ORU 等詳細(xì)集成設(shè)計(jì),仿真、地面試驗(yàn)及在軌應(yīng)用驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的集成方案合理可行。目前,天和艙、問天艙的再生生保系統(tǒng)都經(jīng)歷了全面在軌驗(yàn)證, 設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,產(chǎn)品布局合理,在軌日常維護(hù)、故障維修操作方便,表明再生生保集成方案滿足設(shè)計(jì)要求。本文闡述的再生生保集成方案、基于維修性的集成設(shè)計(jì)方法可為航天器復(fù)雜系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)提供總體設(shè)計(jì)思路和框架,具有一定的借鑒意義。