空间综合材料科学实验装置的设计与实现

崔晓杰，陆登柏，张正军



空间综合材料科学实验装置的设计与实现

崔晓杰，陆登柏，张正军

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

为了满足各种材料在空间进行科学实验的目的，设计了能在空间长期工作的综合材料科学实验装置。文章详细介绍了该装置中的样品提拉机构、样品夹具结构和人机工效学的设计过程。实验结果验证了设计理论和方法的可行性和实用性；实验装置运行平稳、可靠，实验样品完整、无损伤。该装置首次实现了多批次样品的管理和更换功能以及在轨人工参与操作功能。

综合材料科学实验；实验装置设计；样品提拉机构；样品夹具结构；人机工效学；微重力；空间材料科学

0 引言

材料科学主要研究物质结构、属性和加工过程之间的关系。在地面上，这些关系受重力的强烈影响。而在空间微重力环境下，浮力对流、沉淀、流体静力学压力等因素的影响变得很弱甚至消失，并且材料容器对最终产品的污染和影响还可消除，这使得“无模过程”成为可能，由此空间材料科学成为一项非常重要的课题[1-3]。要推动空间材料科学长期可持续发展，就必须不断提高空间材料实验装置的性能和技术水平，不断优化完善其功能。

国际空间站（ISS）是当今世界上最大的载人航天器，代表了载人航天技术发展的综合成就。在ISS的科学研究活动中，美国航空航天局（NASA）的“命运”号实验舱（Destiny）、欧空局（ESA）的“哥伦布”实验舱（Columbus），日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“希望”号实验舱（Libo）以及由俄罗斯空间局研制的POLIZON空间炉均安排了独立的材料实验，借此开展空间材料科学及相关交叉学科的科学实验研究[4-5]。

我国从1987年开始，陆续利用返回式卫星、科学实验卫星、载人飞船等进行了多次空间材料实验。多工位晶体生长炉是我国研制成功的第一台采用闭环控制多样品的空间材料实验装置。它在一次飞行试验中可以进行6种以上材料的空间实验[4,6-7]。总体上我国以往的空间材料实验装置大多数是单一设备，所支持的科学研究类型有限，不能进行多工位多批次的综合材料科学实验。

本文针对载人航天工程空间应用系统“天宫二号”任务中的综合材料实验项目，设计了综合材料科学实验装置，创建能在空间长期工作的材料科学实验平台，使其在轨飞行期间能满足现阶段半导体光电子材料、金属合金及亚稳材料、新型功能单晶、纳米及复合材料等材料的空间制备实验需求，为制备高性能材料以及深入开展材料机理研究提供技术支撑。以下介绍该装置的设计原理及方法，并研究实验样机的工作性能。

1 实验装置组成及工作原理

空间综合材料科学实验装置需要满足：多批次样品的管理和更换；在轨人工参与操作；材料实验所需的真空环境。因此其设计准则为：1）运动机构必须平稳、可靠，可准确将6工位样品送入加热炉炉膛；2）样品夹具必须可多次使用，夹具的夹持力必须保持在要求的范围内；3）装置的人机工效学设计必须满足在轨人工参与操作的要求。根据功能要求设计的综合材料科学实验装置结构如图1所示。

1. 传动机构；2. 真空室开盖把手；3. 样品夹具；4. 真空壳体；5. 实验样品；6. 加热炉；7. 真空室。

综合材料科学实验装置由传动机构、实验样品、样品夹具、加热炉、真空室以及开盖把手等组成。传动机构实现实验样品的转位运动和提拉运动。样品夹具夹持实验样品，提供满足要求的夹持力。加热炉实现实验样品的加热。真空室提供实验所需的真空环境。本设计最大的特点在于利用最小空间容纳最多样品实验；机构运行平稳，密封性能良好，航天员通过开、合盖操作可进行多批次样品实验。

2 实验装置的设计

2.1 样品提拉传动机构

空间综合材料科学实验装置的传动机构由6工位转动传动机构和样品提拉传动机构两部分组成。其中样品提拉传动机构（如图2所示）由电机组件、磁传动组件、主动齿轮、安装板、从动齿轮、提拉拨叉、丝杠及光杠等组成。该机构的工作原理是：电机通过磁传动组件依次带动主动齿轮、从动齿轮、丝杠转动，进而带动提拉拨叉使实验样品上下运动，从而实现实验样品在加热炉中的插入和拔出功能[8]。

1. 电机组件；2. 磁传动组件；3. 主动齿轮；4. 安装板；5. 从动齿轮；6. 提拉拨叉；7. 丝杠。

样品提拉传动机构设计的创新点主要有以下两个方面。

一是电机到齿轮传动之间增加了磁传动组件。该组件主要由主动外磁转子、从动内磁转子及磁体外壳组成。磁性材料选用具有高剩磁、高矫顽力的高磁能积材料钐钴[9]。磁体外壳材料选用耐腐蚀性强、承压能力强的1Cr18Ni9Ti材质。结构尺寸设计按照圆筒形磁力驱动器设计。磁传动组件在提供足够转动力矩的同时，主要具有减振作用。主、从动磁转子之间有一定间隙，当机构振动或电机振动时可有效减小振动，防止振动传递到丝杠位置，保证提拉拨叉垂直提拉样品，避免振动造成传动机构运动卡涩。

二是提拉拨叉结构的设计。提拉拨叉有提拉实验样品，触动上、下微动开关，以及连接光杠、上下运动导向的作用。因此提拉拨叉设计为三齿结构，将上述作用合为一体，以有效保证提拉行程的精准实现。

2.2 实验样品夹具

实验样品夹具用于装置内实验样品的存放。其作用：一是夹持固定和减振，即在综合科学材料实验装置随飞行器发射阶段保证实验样品的完整；二是在轨实验阶段，人工操作时可满足人机工效要求，即航天员可顺利插、拔样品。

实验样品夹具（如图3所示）主要由筒体、弹簧片和铆钉组成。弹簧片固定于筒体之中，具有一定的弹力，利用其弹性抱紧实验样品，防止力学冲击振坏样品封装管。样品夹具夹持力主要由弹簧片材料以及厚度决定。成形弹簧片如图4所示。

1. 铆钉；2. 弹簧片（铍青铜片）；3. 实验样品；4. 筒体

图4 成形弹簧片示意

弹簧片厚度为

=4.712p/(EF)， (1)

式中：为成形半径；p为许用应力；为弹簧片材料的弹性模量；F为弹簧垂直方向变形。

实验样品抱紧设计由6个成形弹簧片弹性变形来保证。则单个实验样品的提拉摩擦力为

=6=62p/(12)， (2)

式中：为实验样品外罩与弹簧片静摩擦因数。为工作载荷；为弹簧片宽度；

首先选定弹簧片材料，依据式(1)计算出弹簧片厚度，进而核算出工作载荷，然后即可得出拔、插实验样品所需的拉力和压力。

2.3 人机工效

综合材料科学实验装置是首次在轨人工参与操作，因此，合理安全的人机工效设计非常重要。

由于航天员需要打开装置进行换样操作，所以装置材料必须安全无毒、无挥发。该实验装置结构主要使用2A12硬铝、钛合金制造；密封材料采用氟橡胶；与不锈钢丝杠配合的螺母以及齿轮轴套选择用空间自润滑复合材料，该材料相比于液体润滑材料不但无毒、无挥发，而且磨损低。试验样品密封在安瓿内，不存在泄漏风险，不会给航天员安全带来隐患。

实验装置的结构是完整封闭的，操作过程中要求无多余物或活动零件脱离装置，以确保航天器和航天员的安全。具体设计包括：航天员对设备操作过程中，需要拧松的紧固件均设计为防松脱螺钉结构，保证螺钉不会脱出；需要操作的阀门、开关装置开启后仍然连接在材料实验装置上，保证不会脱出装置。同时，对于航天员操作的紧固件、阀门、开关等，应确保其开启力和复位力在航天员可靠操作范围内。

3 实验装置工作性能测试

为了验证上述设计理论的可行性和实用性，研制了如图5所示的空间综合材料科学实验装置样机，并对其工作性能进行测试。

图5 综合材料科学实验装置样机

本文所选用的样品夹具中弹簧片材料为铍青铜，其成形半径为1.5mm，厚度为0.12mm。“青铜+钢”摩擦副的摩擦因数为0.16。经计算，实验样品摩擦阻力为12.28N，满足航天员顺利拔、插实验样品的要求。

对综合材料科学实验装置样机在力学振动实验后进行人机工效实验。实验结果显示内部机构运行正常，实验样品完整、无损伤；由空间自润滑复合材料制造的与不锈钢丝杠配合的螺母以及齿轮轴套可以保证丝杠及齿轮的平稳运行；装置盖体上的密封螺钉拧松后不脱出，螺钉锐边经过了倒圆角处理，可保证操作人员安全；阀门在开启及关闭操作过程中转向平稳，操作空间大，阀门开、关标识清楚；装置开盖过程中，盖体把手光滑无尖角。盖体设计有转向定位装置，最大角度转至90°，不会对周围设备造成损伤。炉盖转轴设计了自阻尼系统，转动力约为25N，可以使盖体停留在航天员设定的任意位置。

4 结束语

基于文中提出的设计理论和方法，设计了综合材料科学实验装置，并通过实验验证了其可行性和实用性。该装置首次实现了多批次样品的管理和更换功能，以及在轨人工参与操作功能，并已在“天宫二号”实验舱顺利完成第2批次6个工位样品的科学实验。实验结果表明其可靠性高，重复性好，可保证实验样品完整、无损伤，人工参与操作安全、有效。这为我国制备高性能空间材料以及载人空间站工程后续深入、长期开展空间材料科学实验任务提供了良好技术基础和有力保障。

（References）

[1] REGEL L L. Materials processing in space: theory, experiments, and technology[M]. New York: Consultants Bureau, 1990: 59-65

[2] 苏怀朋, 赵振昊, 孙永进, 等. 载人空间站空间科学应用研究[J]. 宇航学报, 2014, 35(9): 985-991

SU H P, ZHAO Z H, SUN Y J, et al. Study on space science and technology of manned space station[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(9): 985-991

[3] 胡文瑞. 空间的物理学[J]. 物理, 2008, 37(9): 637-642

HU W R. Physics in space[J]. Physics, 2008, 37(9): 637-642

[4] 刘岩, 艾飞, 潘秀红, 等. 空间材料科学实验技术总体方案构想[J]. 载人航天, 2010(3): 19-23

LIU Y, AI F, PAN X H, et al. Overall plan of the space materials science experimental technology[J]. Manned Spaceflight, 2010(3): 19-23

[5] ROBINSON J A, THUMMT L, THOMAS DA. NASA utilization of the international space station and the vision for space exploration[J]. Acta Astronautica, 2007, 61(1): 176-184

[6] 奚日升. 空间站材料科学加工试验炉的选择[J]. 空间科学学报, 2009, 29(1): 154-158

XI R S. Select for material science processing experiment furnaces on space station[J]. Chinese Journal of Space Science, 2009, 29(1): 154-158

[7] 刘岩, 王锦昌, 冯楚德, 等. 我国的空间晶体生长装置[C]∥中国空间科学学会空间材料专业委员会2002年学术交流会论文集. 北海, 2002: 6-16

[8] 徐灏. 机械设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1992: 8-39

[9] 赵韩, 田杰. 磁力机械学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009: 33-39

（编辑：许京媛）

Design and implementation of experimental device of comprehensive materials science for space research

CUI Xiaojie, LU Dengbai, ZHANG Zhengjun

(Lanzhou Institute of Space Technology Physics, Lanzhou 730000, China)

For the purpose of space science experiment of various materials, a device is designed to serve for the comprehensive materials science experiment, which can work in space for a long time. The design process of the sample lifting mechanism, the sample fixture structure and the ergonomics are presented in detail. Experimental results show the feasibility and the practicality of the design theory and method. The device works smoothly and reliably in the experiment, and the experimental samples are found to be intact and not damaged. The device realizes the management and replacement functions of the multi-batch samples, and the manual operation function on orbit for the first time.

comprehensive materials science experiment; design of experimental device; sample lifting mechanism; sample fixture structure; ergonomics; microgravity; space materials science

V524.7

A

1673-1379(2017)02-0162-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.009

2016-07-07；

2016-11-25

崔晓杰（1987—），男，硕士学位，主要从事空间机构相关技术研究。E-mail: cuixiaojie2000@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544