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《中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)》 2014年

空間機械臂熱控制關(guān)鍵技術(shù)研究

石進峰  

【摘要】：空間機械臂作為在軌期間完成空間站組裝和維護、載荷照料以及支持航天員出艙活動的智能工具，其服役伴隨整個空間站壽命的始末。作為我國空間站機械臂系統(tǒng)中的精細臂，本文研究的空間機械臂設(shè)計壽命長、內(nèi)部功耗大、工作時間長，工作姿態(tài)復(fù)雜多變，都對其熱設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。高度集成、模塊化的關(guān)節(jié)內(nèi)部功耗大，散熱路徑復(fù)雜；開放式的末端作用器漏熱嚴重且不均勻，非工作模式下保溫需較大的加熱功耗；手眼相機照明組件散熱困難；分析工況難以確定及地面試驗周期長，如何利用成熟的熱設(shè)計方法，解決空間機械臂的熱設(shè)計難題，滿足其在軌溫度要求等內(nèi)容，是本文的主要研究內(nèi)容。 論文概述了國內(nèi)外空間機械臂的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了空間機械臂的工作特點及熱設(shè)計特點，介紹了國外典型機械臂組件的熱設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上，對本文的研究對象我國空間機械臂精細臂的結(jié)構(gòu)、工作模式進行分析，總結(jié)了其熱設(shè)計所面臨的重點、難點問題。 空間機械臂的運行軌道為低地球軌道，原子氧、粒子輻射、熱循環(huán)和空間碎片等是造成該環(huán)境下熱控材料性能退化的主要因素。結(jié)合哈勃望遠鏡的維修任務(wù)及國際空間站加拿大臂Canadarm2等相關(guān)飛行試驗，介紹了低地球軌道的原子氧效應(yīng)，闡述了多層隔熱組件面膜在軌性能退化以及長壽命多層面膜的設(shè)計與選取。 對空間機械臂的關(guān)節(jié)、末端作用器和手眼相機進行了詳細的熱設(shè)計，結(jié)合機械臂的姿態(tài)和工作特點，確定了高、低溫工況。對典型工況進行了分析計算，確定了各散熱面尺寸及補償加熱功耗大小，低溫工況時關(guān)節(jié)溫度為-22℃~+23℃，末端作用器溫度為-22℃~+30℃，手眼相機溫度為-6℃~+3℃，滿足存儲溫度要求。 關(guān)節(jié)內(nèi)部組件功耗大、散熱困難，，高溫工況時內(nèi)部組件溫度過高，對影響散熱的主要參數(shù)進行熱設(shè)計參數(shù)的靈敏度分析。結(jié)果表明，內(nèi)熱源是影響其內(nèi)部溫度分布的主要參數(shù)，其靈敏度變化范圍為2℃~5℃�？紤]極端工況出現(xiàn)的概率較小，優(yōu)化設(shè)計后的關(guān)節(jié)溫度滿足設(shè)計要求。 關(guān)節(jié)、末端作用器的單機熱真空試驗證明了熱控指標的合理性。空間機械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，試驗周期長，試驗費用昂貴，為實現(xiàn)對其熱平衡試驗平衡溫度的預(yù)測，基于節(jié)點網(wǎng)絡(luò)法建立了熱平衡溫度預(yù)測的迭代方程式，結(jié)合大量試驗數(shù)據(jù)，對影響迭代結(jié)果的3個因素進行統(tǒng)計分析并確定了各因素的合理取值范圍。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP241
【目錄】：

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