[發明專利]宇航服面窗緊固結構及其緊固方法

有效

• 申請號: 201310207119.1
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN104161329A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 謝曉斌;鄒彤;李震;謝雋永
• 申請（專利權）人: 一禾科技發展(上海)有限公司
• 主分類號: A41D13/11
• 分類號: A41D13/11;A42B3/18
• 代理公司: 上海唯源專利代理有限公司 31229
• 代理人: 曾耀先

技術領域

本發明涉及國防建設及航空航天領域的宇航服結構，尤指一種宇航服面窗的緊固結構及其緊固方法。

背景技術

隨著航天事業的逐步推進，宇航員艙外作業將愈加頻繁。而宇航服頭盔上的面窗作為宇航服上的關鍵部分，除了須具備良好的光學性能外，耐壓性、氣密性等安全性能主要取決于面窗與宇航服的緊固連接。

為滿足宇航員在艙外作業時對環境觀察的要求，宇航服面窗大多光學性能良好且具備一定強度的玻璃等透明件，但其屬脆性材質，有沖擊強度低、拉伸強度低、壓縮強度低、承載強度低、抗應力性能差、膨脹系數高、斷裂延伸性強、彈性模量小、撓曲強度低、屈服強度低等缺點。

如圖1所示，當一平面物件置于剛性邊框內，在平面上施加均布荷載時，該物件平面會發生凹陷變形，其內部會產生對抗性應力，而且邊緣受到剛性制約因素形成應力集中效應，對抗性應力超過該物件邊緣材質的性能極限時，該物件邊緣會損壞。

太空中的氣壓幾乎為零，而宇航服內為滿足航天員的基本生存需要須保持約一個標準大氣壓，宇航服內外存在著較大的壓力差。目前宇航服面窗一般采用鑲嵌至宇航服頭盔的預留槽內或在面窗上開孔通過螺栓固定于宇航服頭盔上的方式，所述方式都是將脆性的面窗擱置于剛性邊框上，當面窗一側受到均勻氣壓時，同時根據上述面窗的缺點、面窗受到均布荷載時的受力原理以及宇航服的使用環境，該脆性材料的邊緣強度就顯得尤為重要，一旦處理不好很容易出現裂縫等安全問題。為應對宇航服在太空中存在的壓力差，保證其結構的強度與穩定，面窗邊緣與宇航服頭盔連接處的厚度需要相應增加；可是由于同時受到光學要求和限制，面窗的整體厚度必須保持一致，而無法因為面窗邊緣的破壞應力較大而局部增加厚度，因此設計時不得不將面窗的整體厚度加大，這樣無疑會對面窗的光學性能造成一定影響，同時其內應力變化也更加復雜。除此之外上述宇航服面窗與頭盔的連接方式還存在以下缺陷：

1、在生產制造及加工過程中，宇航服面窗或多或少會存在一定的缺陷或殘余應力，包括磨削、拋光和退火等工序都會對面窗自身的內應力平衡造成破壞；后續在運輸、倉儲或裝配的過程都可能導致該缺陷或應力逐漸放大，日后存在較大的安全隱患。

2、圓弧形對面窗的加工工藝要求更高，面窗的加工尺寸或弧度等必然存在一定的誤差，同樣宇航服頭盔與面窗連接處的接觸面存在平整度誤差，或在面窗邊緣開設螺孔的中心與頭盔上的相應孔的中心沒有完全對準，或者在面窗邊緣開設的螺栓孔存在裂紋、缺口、拋光不好等缺陷，上述情況都會影響面窗與宇航服頭盔的貼合度，從而導致面窗安裝困難，或者安裝后存在應力集中，且面窗制品的互換性較差。

3、宇航服面窗通過鑲嵌的方式安裝至宇航服頭盔上時，其結構未能使宇航服面窗與宇航服頭盔形成一體，但當宇航服面窗因溫差、壓差等原因發生變形時，面窗與頭盔之間僅依靠樹脂填充層的粘合力來對抗面窗因變形而導致與頭盔之間的撕扯力，當樹脂填充層的粘合力無法對抗因面窗變形而帶來的撕扯力時，面窗就很容易從宇航服頭盔上脫落，從而引發嚴重的安全事故。

4、宇航服面窗通過螺栓緊固的方式安裝至宇航服頭盔上時，其結構雖能使宇航服面窗與宇航服頭盔形成一體，但在面窗上開設安裝孔就已經破壞面窗自身的內應力平衡，螺孔附近成為了強度上的薄弱環節，再加上可能疊加的加工缺陷與裝配應力，面窗上很容易產生裂紋，這將會是很嚴重的安全隱患。

5、當宇航員在艙外作業時，太空中的氣壓基本為零，而宇航服內須始終保持約一個大氣壓；太空中宇航員工作環境溫差可達三百度左右，而宇航服內須基本維持在20℃左右。宇航服面窗在如此的壓差及溫差條件下，上述螺孔附近的任何微小殘余應力或裝配應力，都很容易被擴展為裂紋，甚至裂縫而導致面窗破裂等安全事故。

6、因為面窗與頭盔的熱膨脹系數是不同的，面窗內各層透明體的熱膨脹系數不同、其變形程度也各異，而且隨溫度變化的規律也存在很大差異，所以當壓差與溫差發生變化時，除了剛性較大的頭盔會限制面窗的橫向變形，導致面窗與頭盔連接處的側向應力增大外，兩者的接觸面附近還會出現其他復雜的應力狀態，時間長了就容易在螺孔等應力薄弱處產生疲勞裂紋，直到面窗破壞導致災難性的后果。

7、由于螺栓會傳熱，宇航服面窗若長時間暴露于高溫下，溫度通過螺栓傳到螺栓孔表面而使孔的有效支承面積變小，加之宇航服使用過程中面窗上螺栓孔的磨損與變形，都對整個結構的強度與穩定非常不利。

目前世界上宇航服面窗的安裝結構大致相同，只是面窗的材質及制造工藝上有所改進，面窗與宇航服頭盔的緊固結構并無根本改變，上述問題依然存在，宇航服面窗緊固結構亦成為困擾相關技術人員的一大難題。