2022年9月2日，當神舟十四號航天員乘組圓滿完成首次出艙任務，關上艙門安全“返家”的那一刻，艙外維修工具設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”迭代設計，讓它們變得更加可靠、好用和多功能。

(資料圖片)

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備拆裝工作。

由于發(fā)射時火箭對航天器的包絡限制，相機抬升支架等艙外結構不能直接展開到位，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人傅浩非常理解：“其實，接到任務的第一時間，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。”

只有當開始設計時，他們才發(fā)現(xiàn)任務到底有多難。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，設計師需要反復研究每一個抓握、按壓、旋擰操作，以保證任務順暢推進；出艙任務處于艙外復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、機構等組件于一體，必須保證所有組件在嚴苛的環(huán)境條件下正常且穩(wěn)定工作；執(zhí)行任務全程，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，艙外工具設計師們必須充分復核航天員在軌仿真位姿變化的每一個場景，精準定位艙外電動工具在軌應用的20余種溫度變化工況，才能有效開展設計工作。

假設執(zhí)行出艙任務的是自己

如何設計出一套好的艙外維修工具？艙外工具設計師們心里有一個共同的答案：假設執(zhí)行出艙任務的是自己。

“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)行任務的全過程，并結合出艙工作場景不斷完善設計方案；第二輪，在設計圖紙的基礎上，用計算機建立仿真模型并驗證設計功能；第三輪，在工效學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。設計師們根據(jù)新布局，對存放工具的工具箱進行適應性改動。可是當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)次升級方案并結合仿真模擬技術，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)，設計師們就討論、修改了數(shù)十次，只因“還能更好”。

領下“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——如此艱巨的任務逼著年輕的成員們快速地成長為設計、試驗和加工的“多面手”。任務初期，僅憑文獻中不甚詳盡的記載難以設計出優(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”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)品設計和工程應用中的知識體系，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)境適應性等多項技術難點，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試驗等嚴苛考驗，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)的高度認可。

為適應出艙口的調(diào)整，團隊成員傾心設計的幾件全新“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，我們有信心承擔好相應的工具研制任務，為空間站建設維護和在軌科學研究貢獻力量！”傅浩堅定地說。

（本報北京9月2日電 本報記者 張蕾 本報通訊員 王澤洋 楊佳鑫 武婷婷）