机械臂：真正助航天员“一臂之力”

发布时间：2023-10-29 17:35:07   来源：体育竞猜bob

　　近日，关于中国空间站机械臂的话题成为了大家讨论的热点，尤其是7月4日，航天员刘伯明和汤洪波在天和核心舱外活动期间，安装在天和核心舱外的机械臂发挥了重要作用。

　　众所周知，在太空极端恶劣的环境下，航天员进行舱外活动十分困难，而机械臂在辅助航天员舱外活动中发挥着至关重要的作用。让我们来看看机械臂是怎么样才能做到助航天员“一臂之力”的……

　　自人类开展载人航天活动以来，美国率先提出了空间机器人概念，用于在恶劣的太空环境下，完成航天员难以完成的舱外操作。

　　空间机器人最主要的应用就是空间机械臂，它集机械、电子、热控、视觉、动力学等多学科于一体，是一种高端和先进的航天装备，具有强大的性能和广阔的应用前景。

　　虽然美国最早提出创意，但先拔头筹的却是加拿大。人类第一种空间机械臂就是由加拿大Spar公司设计制造。1981年，该公司和美国宇航局联合研制了4套供航天飞机使用的空间机械臂，被称为加拿大臂。

　　加拿大臂的重量为410.5公斤，长约15米，由6个控制关节组成。6个自由度的加拿大臂安装在航天飞机左舷的纵梁上，采用航天员舱内遥控操作方式，用于展开和回收有效载荷，以及协助航天员进行舱外活动。美国航天飞机在维修哈勃望远镜的5次任务中，加拿大臂发挥了无可替代的作用。

　　上世纪80年代，美国提出了自由号空间站项目，并由加拿大负责空间站机械臂研制。该空间站后来衍生为国际空间站，加拿大研制的第二代机械臂就是目前国际空间站上使用的加拿大臂2。

　　加拿大MDA公司研制的加拿大臂2是目前世界上最先进的空间机械臂之一，它包括活动基座系统MBS，空间站遥控机械臂SSRMS和专用灵巧机械臂SPDM三个部分。

　　我们最熟悉的就是俗称“大臂”的SSRMS。它由航天飞机上的加拿大臂发展而来，长17.6米，直径0.35米，可在太空移动116吨重的载荷，它还进一步演变成了更灵活的7自由度机械臂系统。

　　在国际空间站上使用的机械臂中，“大臂”SSRMS最长，也最大，重量高达1497公斤。即将发射的7自由度欧洲机械臂ERA，质量约630公斤。中国天和核心舱上安装的机械臂，质量尺寸介于两者之间，重量约740公斤。

　　总的来说，相对于空间站舱段动辄十几二十吨的重量，机械臂只能算是个零头，但它却在载人航天活动中发挥着及其重要的作用，成为空间站建设的关键技术之一。

　　美国在自由号空间站项目中，加拿大臂2是空间站建设的核心装备，在国际空间站的组装建造中，它同样发挥着重要作用。

　　“大臂”SSRMS和人的手臂一样都有7个自由度，是世界上第一种7自由度空间机械臂。它的本体由7个关节组成，包括肩部3个关节、肘部1个关节和腕部3个关节，用起来十分灵活。

　　国际空间站各个舱段上还设有电力数据抓取夹具（PDGF），“大臂”的任意一端可以和PDGF夹具连接，利用PDGF提供的电力供应和数据传输能力开展工作。同时，“大臂”还具有重定位能力，能用类似尺蠖的方式通过PDGF头尾互换移动爬行。

　　另外，“大臂”还能基于MBS基座在整个桁架上滑行。加拿大臂2的“大臂”不但十分灵活，而且移动能力很强，是建造维护国际空间站的得力助手。它大范围的使用在从空间站组装建设、空间站维护、空间站有效载荷运输和服务，以及抓取释放飞船、卫星等任务，为国际空间站的建造和运行立下了汗马功劳。

　　如果说空间站建造阶段的历史太过久远，美国天鹅座货运飞船和第一代载人龙飞船，以及日本HTV货运飞船在国际空间站上的每一次对接中，都是由加拿大臂2捕获抓取后拖动接驳。至于拖动航天员开展舱外活动，维护空间站和开展空间应用，更是加拿大臂2当仁不让的责任。

　　此外，国际空间站上的日本希望号实验舱也装有两个6自由度机械臂，大多数都用在在舱外暴露平台上开展高精度的空间科学实验，也可支持航天员的舱外维护活动和释放微纳卫星等任务。

　　据美媒报道，美国正在推进的月球门户站项目，加拿大将为它研制第三代机械臂——加拿大臂3。这种机械臂仍然包括大臂和机器手两个部分，但应用了更先进的机器视觉、简短的软件和AI系统，可以在无需航天员遥控干预的情况下执行任务。

　　我国同样为天宫空间站研制了高性能的机械臂，它是中国空间站系统的三大关键技术之一，也是天宫空间站建设和维护的重要装备。

　　中国空间站机械臂的主要性能指标和国际领先水平相当，部分指标处于国际领先水平，能够很好的满足我国建造长期有人照料空间站的发展需要。

　　虽然中国空间站机械臂的重量约740公斤，但采用了大负载自重比设计，负重能力高达25吨，长度约10.2米，具有7个自由度和重定位能力，能头尾互换在空间站舱段上自主爬行。

　　中国空间站除了核心舱配备的大臂外，在实验舱上还有一个小型机械臂，两个机械臂可以连接起来组合开展舱外作业，兼顾大范围、大负荷移动和高精度移动需求。

　　毫不夸张地说，中国空间站机械臂虽然尺寸略小，但已经实现了加拿大臂2的大部分功能，只不过没有航天飞机需要照料，因而设计的负荷能力比加拿大臂2要小。

　　众所周知，中国空间站采用的三舱基本构型中，两个实验舱都是与核心舱、节点舱轴向对接后，再转位到侧面停泊口，机械臂25吨的负载能力就考虑了实验舱进行转移的需求，足以拖动实验舱实现分离、转位和再对接操作。

　　我国未来的货运飞船很可能用机械臂实现捕获和转移，完成飞船和空间站的对接。中国空间站项目中还有重达十几吨的巡天光学舱，它也可能用机械臂进行捕获、移动和对接，并对其进行在轨维护。

　　中国空间站机械臂也将支持航天员出舱活动。在此次出舱活动中，刘伯明就是用脚限位器将自己固定在机械臂末段，然后在机械臂支持下进行大范围转移，这要比航天员自主爬行省时省力很多。

　　中国空间站机械臂还带有视觉系统，除了方便航天员进行遥控操作外，还能用于对空间站外部进行定期巡检。从中国空间站机械臂预定的空间工作任务看，我国研制的机械臂性能强、应用场景范围广泛。

　　总之，空间站机械臂虽然体积重量不大，但却是空间站建造和应用的核心装备，在空间站建造、维护、科研以及在轨维护等领域发挥着及其重要的作用，成为航天员进行舱外活动的力量倍增器。