2022年9月2日,当神舟十四号航天员乘组圆满完成首次出舱任务,关上舱门安全“返家”的那一刻,舱外维修工具设计师们一颗颗紧张的心终于放松下来。来自航天科技集团五院总装与环境工程部的这支团队,全程参与了航天员出舱天地一体技术支持工作,助力航天员舱外维修的工具就是由他们研制完成的。

三年多的时间里,这支团队自主研制了中国空间站核心舱、问天实验舱36类238件舱外维修工具,累计上行总质量达509千克。他们从零起步,实现了我国在轨舱外维修工具从无到有的突破。此后,他们又结合航天员的使用体验反馈,对包含舱外电动工具在内的“机械伙伴”迭代设计,让它们变得更加可靠、好用和多功能。

舱外电动工具与普通手电钻相去甚远

2021年7月4日,神舟十二号航天员执行首次出舱活动。随着航天员拧紧最后一颗安装螺钉,全景相机抬升支架的安装完成了——这是空间站舱外电动工具的首次亮相。此次,作为空间站维修任务的“骨干选手”,舱外电动工具再次不辱使命,配合航天员完成了出舱设备拆装工作。

由于发射时火箭对航天器的包络限制,相机抬升支架等舱外结构不能直接展开到位,需要后续由航天员出舱进行调整与维护。舱外维修工具就好比航天员的“机械伙伴”,直接影响到出舱任务能否顺利进行。

相比于空间站本身带给人们的科幻感和视觉冲击力,在出舱工作的直播画面里,舱外维修工具显得更贴近生活。“舱外电动工具这把太空版‘电动螺丝刀’,与我们生活中随处可见的手电钻有什么不同?”有人会这样问。对此,航天科技集团五院总装与环境工程部空间站舱外维修工具负责人傅浩非常理解:“其实,接到任务的第一时间,由于可参考的经验太少,我们的脑海中也曾闪过这样的念头。”

只有当开始设计时,他们才发现任务到底有多难。据傅浩介绍,在失重状态下,航天员出舱时仅能靠扶手和脚部限位器调整姿态,工具和人的受力情况都与在地面使用手电钻相去甚远:由于航天员身着厚重的出舱服,且只能单手操作工具,设计师需要反复研究每一个抓握、按压、旋拧操作,以保证任务顺畅推进;出舱任务处于舱外复杂的真空和高低温交变环境中,舱外电动工具集电路、电机、电源、热控、机构等组件于一体,必须保证所有组件在严苛的环境条件下正常且稳定工作;执行任务全程,要保证所有零件不会“逃走”成为“太空垃圾”,以免给空间站长期在轨稳定运行埋下安全隐患……鉴于上述种种约束条件,舱外工具设计师们必须充分复核航天员在轨仿真位姿变化的每一个场景,精准定位舱外电动工具在轨应用的20余种温度变化工况,才能有效开展设计工作。

假设执行出舱任务的是自己

如何设计出一套好的舱外维修工具?舱外工具设计师们心里有一个共同的答案:假设执行出舱任务的是自己。

“以这种态度去工作,追求产品的完美就是自然而然的事情。”傅浩告诉记者,对于每件工具,大家都会进行至少三轮演练:第一轮,从航天员操作角度出发,在头脑内从头到尾推演执行任务的全过程,并结合出舱工作场景不断完善设计方案;第二轮,在设计图纸的基础上,用计算机建立仿真模型并验证设计功能;第三轮,在工效学评价中与航天员面对面沟通,争取让所有细节都尽善尽美。

问天实验舱在轨组装完成后,航天员将从问天实验舱的气闸舱出舱。设计师们根据新布局,对存放工具的工具箱进行适应性改动。可是当航天员模拟失重验证时,他们却发现:航天员需要将身体完全探出气闸舱,才能将便携式脚限位器和舱外操作台取下或装好。

“工具取放是航天员出舱任务的第一步,不能让他在这儿就觉得心里没底。”面对紧张的研制进度,设计师们与总体单位密切配合,仔细询问航天员的感受,数次升级方案并结合仿真模拟技术,最终确保航天员在半出舱状态下就能够完成取放,有效提升了操作的便捷性和安全性。此外,设计师们还更改了舱外操作台的材质,通过降低质心有效减小转动惯量;优化安装端头形状,以便航天员更顺畅地把舱外操作台插入工具箱的安装座内……仅仅围绕取放工具这个小环节,设计师们就讨论、修改了数十次,只因“还能更好”。

领下“军令状”就没打过“退堂鼓”

虽然舱外维修工具研制团队的成员平均年龄只有32岁,但自从领下这张“军令状”起,就没有人打过“退堂鼓”。

研制周期异常紧迫,研制经验几乎为零——如此艰巨的任务逼着年轻的成员们快速地成长为设计、试验和加工的“多面手”。任务初期,仅凭文献中不甚详尽的记载难以设计出优质方案,研制工作一度陷入瓶颈。不过,头脑灵活、金点子多的他们另辟蹊径,把目光从维修工具本身转移到空间站总装工作中——既然技能工人能在地面把空间站造好,那么他们对于“在轨建设”是否也有较深的理解?于是,他们深入生产一线与技能工人交流,完善自身在产品设计和工程应用中的知识体系,在仔细分析每一个使用工况、精确模拟每一个运动轨迹、深入探讨每一个故障模式后,收获不菲。

就这样,团队攻克了工具功能、环境适应性等多项技术难点,编制产品初/正样文件626份、图纸2565份。每一种工具不仅经过高低温试验和力学试验等严苛考验,还被送到航天员手中充分模拟验证,操作使用效果获得总体单位及航天员系统的高度认可。

为适应出舱口的调整,团队成员倾心设计的几件全新“机械伴侣”已搭乘问天实验舱奔赴太空,将随着后续出舱任务逐一亮相。“对于后续空间站在轨运行中可能产生的新需求,我们有信心承担好相应的工具研制任务,为空间站建设维护和在轨科学研究贡献力量!”傅浩坚定地说。

(本报北京9月2日电 本报记者 张蕾 本报通讯员 王泽洋 杨佳鑫 武婷婷)