中國(guó)空間站機(jī)械臂：太空助你一臂之力

文/ 張雪松

7月4日，中國(guó)航天員劉伯明和湯洪波順利完成了空間站任務(wù)的首次出艙活動(dòng)，這次出艙活動(dòng)不僅時(shí)間長(zhǎng)達(dá)約7個(gè)小時(shí)，空間站機(jī)械臂還托舉劉伯明到指定位置，完成了抬升艙外全景相機(jī)的操作。8月20日，航天員聶海勝、劉伯明進(jìn)行空間站階段第二次出艙活動(dòng)，進(jìn)一步檢驗(yàn)了航天員與機(jī)械臂協(xié)同工作的能力。中國(guó)空間站未來(lái)的建造和運(yùn)營(yíng)中，機(jī)械臂將繼續(xù)“助你一臂之力”，作為空間站核心裝備發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

航天員劉伯明站在機(jī)械臂上

天宮空間站效果圖，上面有機(jī)械臂

核心艙機(jī)械臂與實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂級(jí)聯(lián)組合

機(jī)械臂研制未雨綢繆

空間機(jī)械臂是美國(guó)20世紀(jì)70年代提出的概念，但把概念變成現(xiàn)實(shí)的是加拿大Spar公司。美國(guó)航天飛機(jī)的4套6自由度空間機(jī)械臂都是美國(guó)宇航局和Spar公司聯(lián)合研制的，加拿大MDA公司后續(xù)還為空間站研制了更先進(jìn)和更強(qiáng)大的7自由度的加拿大臂2。中國(guó)1992年啟動(dòng)載人航天工程，計(jì)劃三步走最終建成長(zhǎng)期有人照料的載人空間站，我國(guó)載人航天發(fā)展也緊跟技術(shù)發(fā)展潮流，開(kāi)展空間站機(jī)械臂的論證和研究工作。

空間站機(jī)械臂看起來(lái)就是兩段“棍子”，但它不僅能輔助航天員出艙活動(dòng)，在空間站建造和維護(hù)，在在軌維護(hù)中也發(fā)揮著重要作用。它是一種非常精密和先進(jìn)的空間機(jī)器人，集機(jī)械、電子、熱控以及視覺(jué)和動(dòng)力等多個(gè)領(lǐng)域于一身。空間站機(jī)械臂既要拖動(dòng)大質(zhì)量的載荷，又要保證高控制精度，還要具備視覺(jué)識(shí)別能力甚至自主分析能力，對(duì)于白手起家的研制團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)研制難度空前。據(jù)報(bào)道，中國(guó)空間站機(jī)械臂的新技術(shù)比例超過(guò)80%，好在中國(guó)航天人迎難而上，最終研制出我們自己的大型高性能機(jī)械臂。

機(jī)械臂俘獲懸停飛行器

機(jī)械臂輔助航天員出艙活動(dòng)

機(jī)械臂進(jìn)行艙表爬行轉(zhuǎn)移

機(jī)械臂監(jiān)視來(lái)訪飛行器

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始跟蹤空間機(jī)械臂技術(shù)，開(kāi)展了多個(gè)機(jī)械臂預(yù)研和演示項(xiàng)目。中國(guó)空間技術(shù)研究院自2005年開(kāi)始機(jī)械臂研究工作，2007年完成機(jī)械臂原理樣機(jī)設(shè)計(jì)，2009年完成工程樣機(jī)設(shè)計(jì)，而中國(guó)空間站是2010年才正式立項(xiàng)的。航天人未雨綢繆開(kāi)展機(jī)械臂研制，為空間站的研制工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2008年完成6自由度空間站原理樣機(jī)研制后，又進(jìn)一步開(kāi)展7自由度機(jī)械臂的研制，讓中國(guó)空間站的機(jī)械臂達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

機(jī)械臂轉(zhuǎn)移貨運(yùn)飛船載荷

全景攝像機(jī)b拍到的機(jī)械臂

中國(guó)機(jī)械臂性能先進(jìn)

空間站機(jī)械臂是中國(guó)空間站系統(tǒng)的四大關(guān)鍵技術(shù)之一，它隨天和號(hào)核心艙發(fā)射升空，并在首次出艙任務(wù)中得到應(yīng)用。嚴(yán)格地說(shuō)，中國(guó)空間站遠(yuǎn)程機(jī)械臂系統(tǒng)包括核心艙機(jī)械臂CMM和實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂EMM兩個(gè)部分，助力劉伯明出艙的是核心艙機(jī)械臂。中國(guó)空間站機(jī)械臂性能強(qiáng)大技術(shù)先進(jìn)，是空間站建造應(yīng)用的好幫手。

中國(guó)空間站核心艙機(jī)械臂主要用于完成重型艙段和載荷的搬運(yùn)拖帶，以及大范圍轉(zhuǎn)移等任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)空間站艙段的轉(zhuǎn)位和輔助對(duì)接，航天器的捕獲和輔助對(duì)接，以及拖動(dòng)航天員輔助艙外活動(dòng)等功能。核心艙機(jī)械臂質(zhì)量約738千克，長(zhǎng)度約10.2米，作為一種7自由度空間站機(jī)械臂，可以完美模擬人體胳膊的活動(dòng)能力，是當(dāng)之無(wú)愧的太空“大臂”。核心艙機(jī)械臂還采用大負(fù)載自重比設(shè)計(jì)，最多可以拖動(dòng)25噸的載荷。核心艙機(jī)械臂還有重定位能力，形象地說(shuō)就是能頭尾互換地進(jìn)行“爬行”，和尺蠖蠕動(dòng)爬行十分相似。空間站核心艙和實(shí)驗(yàn)艙上都裝有電力數(shù)據(jù)適配器，在它們的配合幫助下機(jī)械臂可以在3個(gè)核心艙段之間靈活移動(dòng)，大大擴(kuò)展了任務(wù)靈活性和活動(dòng)范圍。

空間站實(shí)驗(yàn)艙的小型機(jī)械臂也是一種7自由度機(jī)械臂，它長(zhǎng)度約5米，最大負(fù)荷能力可達(dá)3噸，其拖動(dòng)能力雖然遠(yuǎn)遜核心艙機(jī)械臂，但它主要用于照料實(shí)驗(yàn)艙的艙外實(shí)驗(yàn)設(shè)施，設(shè)計(jì)上姿態(tài)和位置精度更高，可以執(zhí)行更靈巧的操作。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂也可以支持航天員艙外活動(dòng)，但它并沒(méi)有搬運(yùn)艙段的使命，也無(wú)需為了高指標(biāo)設(shè)計(jì)得能力過(guò)剩。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂和核心艙機(jī)械臂既可以各自獨(dú)立運(yùn)行，也具備雙臂組合操作模式，實(shí)現(xiàn)了大范圍大負(fù)載和局部精細(xì)化操作的統(tǒng)一。毫不夸張地說(shuō)，中國(guó)空間站機(jī)械臂系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，整體水平足以媲美空間站機(jī)械臂的標(biāo)桿加拿大臂2。

中國(guó)空間站的好助手

天和核心艙外的機(jī)械臂適配器

機(jī)械臂是中國(guó)空間站的支撐性核心裝備，可以對(duì)空間站艙外目標(biāo)進(jìn)行抓取、搬運(yùn)、定位和釋放，不僅滿足艙外實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的需求，還能協(xié)助航天員進(jìn)行在軌建設(shè)和維護(hù)。機(jī)械臂還能用于觀察和監(jiān)視艙外靜止或移動(dòng)的目標(biāo)，包括對(duì)空間站艙段外部進(jìn)行檢測(cè)。總而言之，空間站機(jī)械臂用途廣泛，也難怪它居然成了空間站的四大核心裝備。

全景攝像機(jī)c拍攝到的機(jī)械臂

中國(guó)空間站上的機(jī)械臂

首先我們來(lái)看核心艙機(jī)械臂。核心艙機(jī)械臂系統(tǒng)已經(jīng)展示了輔助航天員出艙活動(dòng)的能力，航天員使用腳限位器把自己固定在機(jī)械臂末端，可以借助機(jī)械臂的幫助快速進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)移。我國(guó)空間站機(jī)械臂的移動(dòng)線速度最大可達(dá)0.6米/秒，理論上移動(dòng)10米最快只需要十幾秒，這要比本次出艙任務(wù)中湯洪波花了約20分鐘才爬完10多米距離快得多。機(jī)械臂不僅移動(dòng)速度快，而且極大地節(jié)省了航天員艙外活動(dòng)的體力消耗，還能更靈活地將航天員送到預(yù)定位置，為航天員艙外活動(dòng)提供高效和有力的支持，它在未來(lái)的空間站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段將繼續(xù)用于輔助和增強(qiáng)航天員出艙活動(dòng)能力。

核心艙機(jī)械臂另一個(gè)重要作用是用于空間站艙段和來(lái)訪航天器的輔助對(duì)接。我國(guó)空間站三艙基本構(gòu)型中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙都要軸向?qū)雍螅俎D(zhuǎn)位移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)艙側(cè)面的對(duì)接口上，機(jī)械臂高達(dá)25噸的拖動(dòng)能力，就是為了滿足拖動(dòng)空間站實(shí)驗(yàn)艙的轉(zhuǎn)位對(duì)接要求。機(jī)械臂同樣能用于巡天號(hào)光學(xué)艙的捕獲和輔助對(duì)接，方便對(duì)光學(xué)艙的在軌維護(hù)，未來(lái)還能用于捕獲商業(yè)貨運(yùn)飛船輔助對(duì)接，降低商業(yè)公司研制對(duì)接系統(tǒng)的難度。核心艙機(jī)械臂還能用于檢查空間站艙段的艙外狀態(tài)。基于艙外的電力數(shù)據(jù)抓取夾具，機(jī)械臂可以在各個(gè)艙段之間爬行，再加上機(jī)械臂末端配置的相機(jī)等視覺(jué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站外表的定期巡檢，通過(guò)實(shí)時(shí)拍攝的影像供航天員和地面控制人員觀察判斷艙體的狀態(tài)，尤其是是否有微流星撞擊孔洞或是金屬疲勞后產(chǎn)生的裂縫。

研制團(tuán)隊(duì)與機(jī)械臂合影

中國(guó)空間站的實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂小巧靈活，主要用于更為精細(xì)的操作任務(wù)。我國(guó)空間站核心艙和實(shí)驗(yàn)艙都裝有安裝艙外暴露平臺(tái)的接口，未來(lái)將使用實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂完成安裝和更換艙外暴露載荷的任務(wù)。空間站艙外的其他設(shè)備，比如對(duì)地觀測(cè)相機(jī)或是天文觀測(cè)載荷以及在軌可更換單元，也需要實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂承擔(dān)安裝、更換和維修的重任。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂還用于照料昂貴的巡天光學(xué)艙，為它更換和維修控制模塊，維護(hù)遮光罩和其他設(shè)備。另外，對(duì)于為空間站提供大部分電力的實(shí)驗(yàn)艙太陽(yáng)翼，同樣需要在實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂支持下，通過(guò)艙外活動(dòng)維護(hù)桁架、太陽(yáng)翼及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的這些功能，不僅有效減少了出艙活動(dòng)的任務(wù)量，對(duì)完成艙外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)也是至關(guān)重要的。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂還能和核心艙機(jī)械臂組合起來(lái)，更好地完成從照料艙外暴露平臺(tái)到搬運(yùn)維護(hù)太陽(yáng)翼等各種活動(dòng)。