故障模式下的空间站舱外载荷照料方法与流程

1.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，尤其涉及一种故障模式下的空间站舱外载荷照料方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。


技术实现要素：

8.为应对载荷适配器主动端电器组件失效的风险，本发明给出了一种故障模式下的空间站舱外载荷照料方法，通过以机械臂操作为主、航天员操作为辅的方式，使用正常模式下的机械臂照料舱外载荷程序，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，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。
9.本发明提供的故障模式下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在出舱时携带转接工装以及已组装延长杆和转接电缆的舱外电动工具；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将转接工装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将舱外电动工具的延长杆插入载荷适配器主动端的手动操作接口，之后航天员a再将舱外电动工具固定在转接工装上；s4、航天员b将插在机械臂目标适配器的插座上的载荷适配器主动端的插头拔下，并将舱外电动工具的转接电缆的插头插在机械臂目标适配器的插座上；s5、航天员a与航天员b退至安全区域，机械臂抓取机械臂目标适配器，按照正常模式下机械臂照料舱外载荷程序中的载荷适配器主动端巡检程序，对舱外电动工具进行巡检；s6、在确认舱外电动工具状态正常后，航天员a与航天员b通过舱外爬行方式返回舱内；s7、机械臂按照正常模式下机械臂照料舱外载荷程序中的载荷回舱流程，控制舱外电动工具对载荷适配器主动端的手动操作接口进行操作，实现载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的分离，将载荷组合体转移回舱内。
10.优选地，在步骤s7中，当舱外电动工具沿顺时针或逆时针转动特定圈数，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或锁紧操作。
11.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，航天员将故障的载荷适配器主动端的插头从机械臂目标适配器的插座上拔下，再将舱外电动工具上的转接电缆上的插头插在机械臂目标适配器的插座上，从而通过控制舱外电动工具实现对载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的解锁，从而将载荷组合体从载荷适配器被动端上拆下，利用机械臂的正常载荷回舱流程将载荷组合体移回舱内。
附图说明
12.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舱外电动工具的结构图；图5是根据本发明实施例提供的延长杆的结构图；
图6是根据本发明实施例提供的转接工装的结构图；图7是根据本发明实施例提供的舱外电动工具连接机械臂目标适配器前的状态图；图8是根据本发明实施例提供的舱外电动工具连接机械臂目标适配器后的状态图；图9是根据本发明实施例提供的故障模式下的空间站舱外载荷照料方法的流程图。
13.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、舱外电动工具4、力矩输出轴401、导向套402、电机组件403、电控组件404、按压组件405、解锁/锁紧开关406、延长杆5、压紧组件501、套筒502、延长六方杆503、转接工装6、对型过渡板601、压紧把手组件602、解锁环603、线缆固定卡604、转接电缆7。
具体实施方式
14.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。
15.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。
16.为了便于理解故障模式下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，如图1-图8所示。
17.1、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。
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.2、组装延长杆与转接电缆的舱外电动工具图4示出了根据本发明实施例提供的舱外电动工具的结构。
23.如图4所示，舱外电动工具4包括力矩输出轴401、导向套402、电机组件403、电控组件404、按压组件405和解锁/锁紧开关406，力矩输出轴401安装在导向套402内，延长杆与力矩输出轴401连接，电机组件403用于驱动力矩输出轴401转动，电控组件404用于对电机组件403进行控制，按压组件405、电机组件403、力矩输出轴401连接为一体，按压组件405带动电机组件403、力矩输出轴401与手动操作接口309对接，解锁/锁紧开关406用于控制电机组件403正转/反转，带动力矩输出轴401对载荷适配器主动端进行解锁/锁紧。
24.上述内容简单描述了舱外电动工具4的组成，由于舱外电动工具4为现有技术，故具体的结构不在赘述。
25.舱外电动工具4可以在空间站舱外使用，对外持续输出正向和反向的力矩，力矩大小与利用手动操作接口309实现载荷适配器主、被动端锁紧、解锁动作的所需力矩相匹配。
26.舱外电动工具的控制指令和控制方式与载荷适配器主动端完全一致，在舱外电动工具与机械臂目标适配器相联后，机械臂可以利用载荷适配器解锁、锁紧等指令，控制舱外电动工具通过力矩输出轴401输出正向或反向力矩。
27.图5示出了根据本发明实施例提供的延长杆的结构。
28.如图5所示，延长杆5包括压紧组件501、套筒502和延长六方杆503，延长六方杆503的一端穿过套筒502通过压紧组件501与力矩输出轴401锁紧，延长六方杆503的另一端与手动操作接口309匹配。
29.延长杆5与力矩输出轴401一起旋转，对外提供力矩，延长杆能够延长舱外电动工具的操作距离，延长杆的另一端与手动操作接口309匹配。在延长杆插入手动操作接口309后，可以向手动操作接口309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的锁紧或解锁。
30.手动操作接口309突出载荷适配器主动端3的本体包络，舱外载荷安装在载荷适配器主动端3上之后及在轨工作状态下，舱外载荷在载荷适配器主动端3安装面上的投影，不可超出手动操作接口309所在一侧的本体包络，不可影响延长杆5操作手动操作接口309。
31.转接电缆的一端为j599型电连接器插头，j599型电连接器插头的规格、接点与舱外电动工具4上的j599型电连接器插座相匹配，转接电缆的另一端为jyh型舱外操作电连接器插头，jyh型舱外操作电连接器插头的规格、接点与机械臂目标适配器1上的jyh舱外电连接器插座相匹配。
32.3、转接工装图6示出了根据本发明实施例提供的转接工装的结构。
33.如图6所示，转接工装6包括对型过渡板601、压紧把手组件602、解锁环603和线缆固定卡604，在使用时，对型过渡板601与舱外电动工具4连接，对接安装在机械臂目标适配
器1的快插接口，压紧把手组件602下压后，转接工装6与机械臂目标适配器1的快插接口锁定，解锁环603拉出后可取下转接工装6，线缆固定卡604用于固定转接电缆7，防止线缆飘动。
34.转接工装6与舱外电动工具4通过航天员连接后，整体固定在机械臂目标适配器1的快插接口上，并延伸至手动操作接口309的一侧，通过按压按压组件405后，按压组件405带动电机组件403、力矩输出轴401对接与手动操作接口309，实现载荷适配器主动端解锁/锁紧。
35.上述内容简单描述了转接工装6的组成，由于转接工装6为现有技术，故具体的结构不在赘述。
36.转接电缆7的长度要满足在载荷组合体上固定好转接工装6和舱外电动工具4后，连接舱外电动工具4上的j599型电连接器插座和机械臂目标适配器1上的jyh舱外电连接器插座的舱外操作需求。
37.图7和图8分别示出了根据本发明实施例提供的舱外电动工具连接机械臂目标适配器之前与之后的状态。
38.如图7和图8所示，对于故障的载荷适配器主动端3，本发明需要将其插在机械臂目标适配器1的插座上的插头拔下，再将舱外电动工具4上的转接电缆7的插头插在机械臂目标适配器的插座上，从而通过控制舱外电动工具4实现对载荷适配器主动端3与载荷适配器被动端的解锁，从而将载荷组合体从载荷适配器被动端上拆下，利用机械臂的正常载荷回舱流程将载荷组合体移回舱内。
39.图9示出了根据本发明实施例提供的故障模式下的空间站舱外载荷照料方法的流程。
40.如图9所示，本发明实施例提供的故障模式下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在出舱时携带转接工装以及已组装延长杆和转接电缆的舱外电动工具。
41.在出舱之前，两名航天员在舱内根据舱外载荷的高度调节延长杆的长度，并将调节完长度的延长杆组装在舱外电动工具的力矩输出轴上；将转接电缆的j599型电连接器插头与舱外电动工具上的对应插座相连，之后航天员a携带已组装延长杆和转接电缆的舱外电动工具及转接工装出舱。
42.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将转接工装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。
43.s3、航天员b辅助航天员a将舱外电动工具的延长杆插入载荷适配器主动端的手动操作接口，之后航天员a再将舱外电动工具固定在转接工装上。
44.s4、航天员b将插在机械臂目标适配器的jyh型插座上的载荷适配器主动端的jyh型插头拔下，并将舱外电动工具的转接电缆的jyh型插头插在机械臂目标适配器的jyh型插座上。
45.s5、航天员a与航天员b退至安全区域，机械臂抓取机械臂目标适配器，按照正常模
式下机械臂照料舱外载荷程序中的载荷适配器主动端巡检程序，对舱外电动工具进行巡检。
46.s6、在确认舱外电动工具状态正常后，航天员a与航天员b通过舱外爬行方式返回舱内。
47.s7、机械臂按照正常模式下机械臂照料舱外载荷程序中的载荷回舱流程，控制舱外电动工具对载荷适配器主动端的手动操作接口进行操作，实现载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的分离，将载荷组合体转移回舱内。
48.当舱外电动工具的延长杆沿顺时针或逆时针转动特定圈数，且无法继续转动时，完成故障的载荷适配器主动端与其连接的载荷适配器被动端的解锁操作或故障的荷适配器主动端与新的荷适配器被动端的锁紧操作。
49.对于发生故障的载荷适配器主动端，航天员将该载荷适配器主动端的插头从机械臂目标适配器的插座上拔下，再将舱外电动工具上的转接电缆上的插头插在机械臂目标适配器的插座上，从而通过控制舱外电动工具实现对载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的解锁，从而将载荷组合体从载荷适配器被动端上拆下，利用机械臂的正常载荷回舱流程将载荷组合体移回舱内。
50.本发明通过以机械臂操作为主、航天员操作为辅的方式，使用正常模式下的机械臂照料舱外载荷程序，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，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。
51.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。
52.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。

技术特征：
1.一种故障模式下的空间站舱外载荷照料方法，其特征在于，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在出舱时携带转接工装以及已组装延长杆和转接电缆的舱外电动工具；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将转接工装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将舱外电动工具的延长杆插入载荷适配器主动端的手动操作接口，之后航天员a再将舱外电动工具固定在转接工装上；s4、航天员b将插在机械臂目标适配器的插座上的载荷适配器主动端的插头拔下，并将舱外电动工具的转接电缆的插头插在机械臂目标适配器的插座上；s5、航天员a与航天员b退至安全区域，机械臂抓取机械臂目标适配器，按照正常模式下机械臂照料舱外载荷程序中的载荷适配器主动端巡检程序，对舱外电动工具进行巡检；s6、在确认舱外电动工具状态正常后，航天员a与航天员b通过舱外爬行方式返回舱内；s7、机械臂按照正常模式下机械臂照料舱外载荷程序中的载荷回舱流程，控制舱外电动工具对载荷适配器主动端的手动操作接口进行操作，实现载荷适配器主动端与载荷适配器被动端的分离，将载荷组合体转移回舱内。2.根据权利要求1所述的故障模式下的空间站舱外载荷照料方法，其特征在于，在步骤s7中，当舱外电动工具沿顺时针或逆时针转动特定圈数，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或锁紧操作。

技术总结
本发明提供一种故障模式下的空间站舱外载荷照料方法，包括：S1、航天员携带组装转接电缆与延长杆的舱外电动工具及转接工装出仓移动至故障的载荷适配器位置；S2、通过转接工装将舱外电动工具固定在机械臂目标适配器上，延长杆插入载荷适配器主动端的手动操作接口；S3、将载荷适配器主动端的插在机械臂目标适配器上的插头拔下，并将重新插上舱外电动工具的转接电缆的插头；S4、机械臂抓取机械臂目标适配器，对舱外电动工具进行巡检；S5、航天员爬行返回舱内，机械臂按照正常的工作模式将载荷组合体转移回舱内。本发明以机械臂操作为主、航天员操作为辅的方式，使用正常的工作模式，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。荷的回收。荷的回收。


技术研发人员：赵振昊 尹钊 杨金禄 王正义 郭佩 宋研 董占敏 刘彦伟 王爱明 程超 刘贵林
受保护的技术使用者：空间液态金属科技发展（江苏）有限公司
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/10/11