2022年9月2日，當(dāng)神舟十四號航天員乘組圓滿完成首次出艙任務(wù)，關(guān)上艙門安全“返家”的那一刻，艙外維修工具設(shè)計師們一顆顆緊張的心終于放松下來。來自航天科技集團五院總裝與環(huán)境工程部的這支團隊，全程參與了航天員出艙天地一體技術(shù)支持工作，助力航天員艙外維修的工具就是由他們研制完成的。
三年多的時間里，這支團隊自主研制了中國空間站核心艙、問天實驗艙36類238件艙外維修工具，累計上行總質(zhì)量達509千克。他們從零起步，實現(xiàn)了我國在軌艙外維修工具從無到有的突破。此后，他們又結(jié)合航天員的使用體驗反饋，對包含艙外電動工具在內(nèi)的“機械伙伴”迭代設(shè)計，讓它們變得更加可靠、好用和多功能。
艙外電動工具與普通手電鉆相去甚遠
2021年7月4日，神舟十二號航天員執(zhí)行首次出艙活動。隨著航天員擰緊最后一顆安裝螺釘，全景相機抬升支架的安裝完成了——這是空間站艙外電動工具的首次亮相。此次，作為空間站維修任務(wù)的“骨干選手”，艙外電動工具再次不辱使命，配合航天員完成了出艙設(shè)備拆裝工作。
由于發(fā)射時火箭對航天器的包絡(luò)限制，相機抬升支架等艙外結(jié)構(gòu)不能直接展開到位，需要后續(xù)由航天員出艙進行調(diào)整與維護。艙外維修工具就好比航天員的“機械伙伴”，直接影響到出艙任務(wù)能否順利進行。
相比于空間站本身帶給人們的科幻感和視覺沖擊力，在出艙工作的直播畫面里，艙外維修工具顯得更貼近生活。“艙外電動工具這把太空版‘電動螺絲刀’，與我們生活中隨處可見的手電鉆有什么不同?”有人會這樣問。對此，航天科技集團五院總裝與環(huán)境工程部空間站艙外維修工具負責(zé)人傅浩非常理解：“其實，接到任務(wù)的第一時間，由于可參考的經(jīng)驗太少，我們的腦海中也曾閃過這樣的念頭。”
只有當(dāng)開始設(shè)計時，他們才發(fā)現(xiàn)任務(wù)到底有多難。據(jù)傅浩介紹，在失重狀態(tài)下，航天員出艙時僅能靠扶手和腳部限位器調(diào)整姿態(tài)，工具和人的受力情況都與在地面使用手電鉆相去甚遠：由于航天員身著厚重的出艙服，且只能單手操作工具，設(shè)計師需要反復(fù)研究每一個抓握、按壓、旋擰操作，以保證任務(wù)順暢推進;出艙任務(wù)處于艙外復(fù)雜的真空和高低溫交變環(huán)境中，艙外電動工具集電路、電機、電源、熱控、機構(gòu)等組件于一體，必須保證所有組件在嚴(yán)苛的環(huán)境條件下正常且穩(wěn)定工作;執(zhí)行任務(wù)全程，要保證所有零件不會“逃走”成為“太空垃圾”，以免給空間站長期在軌穩(wěn)定運行埋下安全隱患……鑒于上述種種約束條件，艙外工具設(shè)計師們必須充分復(fù)核航天員在軌仿真位姿變化的每一個場景，精準(zhǔn)定位艙外電動工具在軌應(yīng)用的20余種溫度變化工況，才能有效開展設(shè)計工作。
假設(shè)執(zhí)行出艙任務(wù)的是自己
如何設(shè)計出一套好的艙外維修工具?艙外工具設(shè)計師們心里有一個共同的答案：假設(shè)執(zhí)行出艙任務(wù)的是自己。
“以這種態(tài)度去工作，追求產(chǎn)品的完美就是自然而然的事情。”傅浩告訴記者，對于每件工具，大家都會進行至少三輪演練：第一輪，從航天員操作角度出發(fā)，在頭腦內(nèi)從頭到尾推演執(zhí)行任務(wù)的全過程，并結(jié)合出艙工作場景不斷完善設(shè)計方案;第二輪，在設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上，用計算機建立仿真模型并驗證設(shè)計功能;第三輪，在工效學(xué)評價中與航天員面對面溝通，爭取讓所有細節(jié)都盡善盡美。
問天實驗艙在軌組裝完成后，航天員將從問天實驗艙的氣閘艙出艙。設(shè)計師們根據(jù)新布局，對存放工具的工具箱進行適應(yīng)性改動�？墒钱�(dāng)航天員模擬失重驗證時，他們卻發(fā)現(xiàn)：航天員需要將身體完全探出氣閘艙，才能將便攜式腳限位器和艙外操作臺取下或裝好。
“工具取放是航天員出艙任務(wù)的第一步，不能讓他在這兒就覺得心里沒底。”面對緊張的研制進度，設(shè)計師們與總體單位密切配合，仔細詢問航天員的感受，數(shù)次升級方案并結(jié)合仿真模擬技術(shù)，最終確保航天員在半出艙狀態(tài)下就能夠完成取放，有效提升了操作的便捷性和安全性。此外，設(shè)計師們還更改了艙外操作臺的材質(zhì)，通過降低質(zhì)心有效減小轉(zhuǎn)動慣量;優(yōu)化安裝端頭形狀，以便航天員更順暢地把艙外操作臺插入工具箱的安裝座內(nèi)……僅僅圍繞取放工具這個小環(huán)節(jié)，設(shè)計師們就討論、修改了數(shù)十次，只因“還能更好”。
領(lǐng)下“軍令狀”就沒打過“退堂鼓”
雖然艙外維修工具研制團隊的成員平均年齡只有32歲，但自從領(lǐng)下這張“軍令狀”起，就沒有人打過“退堂鼓”。
研制周期異常緊迫，研制經(jīng)驗幾乎為零——如此艱巨的任務(wù)逼著年輕的成員們快速地成長為設(shè)計、試驗和加工的“多面手”。任務(wù)初期，僅憑文獻中不甚詳盡的記載難以設(shè)計出優(yōu)質(zhì)方案，研制工作一度陷入瓶頸。不過，頭腦靈活、金點子多的他們另辟蹊徑，把目光從維修工具本身轉(zhuǎn)移到空間站總裝工作中——既然技能工人能在地面把空間站造好，那么他們對于“在軌建設(shè)”是否也有較深的理解?于是，他們深入生產(chǎn)一線與技能工人交流，完善自身在產(chǎn)品設(shè)計和工程應(yīng)用中的知識體系，在仔細分析每一個使用工況、精確模擬每一個運動軌跡、深入探討每一個故障模式后，收獲不菲。
就這樣，團隊攻克了工具功能、環(huán)境適應(yīng)性等多項技術(shù)難點，編制產(chǎn)品初/正樣文件626份、圖紙2565份。每一種工具不僅經(jīng)過高低溫試驗和力學(xué)試驗等嚴(yán)苛考驗，還被送到航天員手中充分模擬驗證，操作使用效果獲得總體單位及航天員系統(tǒng)的高度認(rèn)可。
為適應(yīng)出艙口的調(diào)整，團隊成員傾心設(shè)計的幾件全新“機械伴侶”已搭乘問天實驗艙奔赴太空，將隨著后續(xù)出艙任務(wù)逐一亮相。“對于后續(xù)空間站在軌運行中可能產(chǎn)生的新需求，我們有信心承擔(dān)好相應(yīng)的工具研制任務(wù)，為空間站建設(shè)維護和在軌科學(xué)研究貢獻力量!”傅浩堅定地說。
