[发明专利]新型空间站舱外巡检维修装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型空间站舱外巡检维修装置（EIMU），属于航天飞行器设计领域。

背景技术

空间站在轨道上运行期间受空间环境的作用和影响，或者因本身设备的故障、操作失误或人的行为的原故，会引发诸多空间站事故和故障，如火灾、减压、失控、翻滚、通信中断、水污染、机械损伤、航天员失常、电击、爆炸等等。空间站长期在轨稳定运行，离不开航天员的在轨维修。航天员需要定期和不定期的对空间站进行预防性维修和恢复性维修，其中舱外维修对维修设备以及航天员的要求非常高，舱外维修不仅加大了航天员的维修难度，而且航天员自身的安全存在很大的风险。在这些维修工作中，机器人等系统起到了很大的作用，但目前机器人系统的自动化水平还不足以替代人来执行舱外活动，因此还需要考虑其他设备来辅助维护。所以近年来，国际上将大量人力、资金投入到空间站舱外巡检维修装置的研发，如空间站伴随卫星等。空间站舱外巡检维修装置可以减少航天员出舱的次数和时间，从而一定程度上减少了航天员的安全风险。采用空间站舱外巡检维修装置具有成本低、可靠性高以及工作周期长的优点，因此具有不可替代性。

国外已有多个具有空间站舱外巡特点、任务和功能的航天器——伴随卫星的研究和发展计划，已研制出类似的航天器并发射上天。比较典型的、具有空间站舱外巡检维修装置功能的研究和发展计划有：以德国为首的X-MirInspector伴随卫星、美国的XSS飞行器、AERCam微小卫星、轨道快车和“太空盾牌”、Livermore微小卫星、法国CNES天文观测任务、德国的TerraSAR-X雷达卫星计划、SSFTS遥控机器人装置及徘徊者遥控机器人飞行试验计划等。这当中尤以Inspector计划最为著名。与此同时，西欧、日本等国家也正在加紧空间站技术的研究。1997年10月，美国航天局发射释放了仅重5千克的AERCam纳米微小卫星。释放后的纳星由自带电池供电，冷氙气推进，可由航天员在舱内遥控操作调整姿态和喷气变轨，或在航天员监视下自主飞行。它可以对航天员和航天飞机进行几个小时的近距离视频和照相观测。该项目主要用于实验微小伴星对主航天器的表面检测、自主对接和在轨回收等技术，回收充电后的微小伴星可以多次使用。XSS-11卫星于2005年4月发射，重145千克，具有成像和机动能力。它开展了自主交会试验，其主要应用目标包括近距离检查飞行器的状态、协助地面人员对在轨卫星进行综合诊断、监视空间目标、实现太空飞行器燃料补给操作。2007年3月，美国将两颗名为“轨道快车”的小型卫星送入轨道。该卫星总重不到1吨，具备很强的机动变轨能力，可以通过轨道机动进入其他卫星的运行轨道，卫星带有高度自动化的机械手臂，初步具有替代航天员在太空完成太空维修作业的能力，甚至具有“太空掳星”能力。

我国神舟七号微小伴随卫星采用两舱一体化结构设计，整星质量不超过40千克，同时具有光学成像、大容量压缩存储、机动变轨、伴随飞行、自主导航、多模式指向和高速数传等多种功能。伴星电源子系统运用直接能量转换的全调节母线系统，采用了平均光电转换效率大于26.5%的三结砷化镓高效太阳能电池。推进系统采用以液氨为推进剂的液化气推进系统。伴星上安装了星载GPS接收机，可实现自主导航功能，也可以接受地面注入的轨道数据。另外还安装了一台USB测控应答机和一台数传机。伴星在释放过程中获得的载人飞船不同方位清晰图像和视频，验证了微小卫星对大型载人航天器的多方位照相和观测技术；首次开展并实现的对无源轨道目标的绕飞技术试验，突破了微小卫星轨道机动和对共面目标的接近、绕飞和保持等关键技术。

文献《航天员舱外作业动力学建模与仿真方法研究》介绍了国外空间站在轨维修的一些相关情况，重点对国外空间站在轨维修方式、维修级别、维修类型以及维修时间进行了分析，通过对国外空间站在轨维修策略的分析，给出了对我国开展空间站在轨维修的一些启示。文献《国外空间站在轨维修策略研究及启示》从航天员舱外太空作业的物理背景入手，讨论其研究难点，在深入分析现有研究的基础上，提出一套支持航天员舱外作业动力学建模与仿真的方法，并通过一个航天员搬运载荷的例子验证了其可行性。文献《空间站的维修性》阐述了在轨维修技术对空间站的重要作用，并在初步分析空间站维修性的需求和可行性的基础上提出了空间站维修性设计的思路、方案及支撑技术，通过对NASA和俄罗斯的空间站维修策略进行比较，结合我国空间站建设的现状，设想性地给出了我国空间站的维修策略。