機(jī)械臂作為空間站的重要組件，是協(xié)同人類完成各種復(fù)雜操作的重要幫手。2022年1月6日，中國(guó)空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位貨運(yùn)飛船試驗(yàn)取得圓滿成功，這是我國(guó)首次利用空間站機(jī)械臂操作大型在軌飛行器進(jìn)行轉(zhuǎn)位試驗(yàn)，驗(yàn)證了空間站艙段轉(zhuǎn)位技術(shù)和機(jī)械臂大負(fù)載操控技術(shù)，為空間站在軌組裝建造積累了經(jīng)驗(yàn)。今天，我們一起深入了解機(jī)械臂在空間站任務(wù)中的重要作用。
艙段輔助轉(zhuǎn)位
機(jī)械臂通常由多個(gè)關(guān)節(jié)和臂段組成，這些部件具有高強(qiáng)度和輕量化的特性，能在太空環(huán)境中承受重量，減少對(duì)航天器的負(fù)荷，其關(guān)節(jié)和臂段通過(guò)液壓、電動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，以提供足夠的力量和穩(wěn)定性。空間站機(jī)械臂有7個(gè)自由度和7個(gè)關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)類似人類手臂的運(yùn)動(dòng)能力，與實(shí)驗(yàn)艙上的小機(jī)械臂形成組合臂后，可達(dá)14個(gè)自由度，工作起來(lái)更加靈活便捷。目前，機(jī)械臂沒(méi)有配備可以用來(lái)抓握物體的機(jī)械夾爪或抓手，而是使用一組形象酷似插頭的末端執(zhí)行器進(jìn)行目標(biāo)抓捕。在首次貨運(yùn)飛船轉(zhuǎn)位試驗(yàn)中，空間站機(jī)械臂正是將末端執(zhí)行器與核心艙艙體表面的目標(biāo)適配器進(jìn)行對(duì)接，再爬行至位于節(jié)點(diǎn)艙附近的停泊口后，最終成功捕獲天舟二號(hào)的適配器，從而順利完成輔助轉(zhuǎn)位。
空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位貨運(yùn)飛船試驗(yàn)
載重與搬運(yùn)
機(jī)械臂具有強(qiáng)大的載重能力和精確的搬運(yùn)能力，這項(xiàng)基本能力為各類任務(wù)提供了必要的保障?？臻g站核心艙上的大機(jī)械臂由兩根臂桿組成，展開長(zhǎng)度可達(dá)10.2米，重量約0.74噸，采用了大負(fù)載自重比設(shè)計(jì)，負(fù)重能力高達(dá)25噸，可將物體從一個(gè)地點(diǎn)移至另一地點(diǎn)，有效配合航天員開展艙外活動(dòng)、空間站平臺(tái)維護(hù)及有效載荷運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。
中國(guó)空間站機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意動(dòng)畫
航天員艙外活動(dòng)支持
機(jī)械臂可用于支持航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)，包括在艙外進(jìn)行航天器維護(hù)、安裝和維修。在艙外執(zhí)行任務(wù)時(shí)，重達(dá)上百公斤的艙外航天服會(huì)限制航天員的活動(dòng)能力。為減少體力消耗，航天員借助機(jī)械臂可完成艙外轉(zhuǎn)移，并在微重力環(huán)境中進(jìn)行精確操作。如此一來(lái)，便可以極大地減少航天員的工作量。目前，空間站機(jī)械臂作為航天員乘組出艙活動(dòng)的得力助手，配合完成了全景相機(jī)抬升、艙外相關(guān)設(shè)備及裝置組裝、核心艙太陽(yáng)翼修復(fù)試驗(yàn)等既定任務(wù)，在支持中國(guó)航天員出艙活動(dòng)中發(fā)揮了重要作用。
航天員在機(jī)械臂輔助下開展艙外活動(dòng)
設(shè)備轉(zhuǎn)移、安裝、更換以及艙外維修
機(jī)械臂可以代替航天員進(jìn)行設(shè)備安裝及維修更換工作，可以極大地減少航天員出艙作業(yè)的次數(shù)和時(shí)間，從而提高航天員在太空中的安全保障。機(jī)械臂也可以轉(zhuǎn)運(yùn)天舟貨運(yùn)飛船中的貨物。天舟貨運(yùn)飛船有開放式非加壓貨艙構(gòu)型，機(jī)械臂可以協(xié)助航天員轉(zhuǎn)移天舟貨運(yùn)飛船內(nèi)的貨物。在空間站艙外維修中，機(jī)械臂也發(fā)揮了“一臂之力”，它可以作為航天員和大型構(gòu)件的支撐平臺(tái)，協(xié)助完成艙外復(fù)雜任務(wù)，有效提高維修效率。2023年12月21日，神舟十七號(hào)航天員首次出艙，湯洪波登上機(jī)械臂，轉(zhuǎn)移至核心艙太陽(yáng)翼的相關(guān)作業(yè)點(diǎn)位，進(jìn)行巡檢和修復(fù)作業(yè)。在空間站機(jī)械臂和地面科研人員的配合下，神舟十七號(hào)乘組對(duì)天和核心艙太陽(yáng)翼的正面和外側(cè)面進(jìn)行觀察、拍照記錄和試驗(yàn)性修復(fù)等工作。
湯洪波登上機(jī)械臂轉(zhuǎn)移至核心艙太陽(yáng)翼的相關(guān)作業(yè)點(diǎn)位
捕獲懸停航天器
機(jī)械臂能夠安全、準(zhǔn)確地捕獲和固定懸停的航天器，為后續(xù)操作、維修或回收提供支持。例如后續(xù)將發(fā)射與空間站組合體共軌飛行的“巡天”光學(xué)艙，在需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、部件替換升級(jí)等工作時(shí)，機(jī)械臂便可對(duì)其進(jìn)行抓取，使其與空間站進(jìn)行對(duì)接，以便航天員對(duì)其進(jìn)行檢查、維護(hù)。而通過(guò)在末端執(zhí)行器上安裝相應(yīng)的任務(wù)模塊（如機(jī)械抓手），機(jī)械臂也可以抓取太空中的其他航天器。
機(jī)械臂捕獲懸停的航天器并協(xié)助其與空間站對(duì)接示意圖
艙外狀態(tài)監(jiān)視
要想讓空間站長(zhǎng)期在軌穩(wěn)定運(yùn)行，空間站艙外狀態(tài)監(jiān)視不可或缺。機(jī)械臂末端執(zhí)行器配置有光學(xué)相機(jī)，可以直接對(duì)空間站艙外進(jìn)行成像。得益于機(jī)械臂的長(zhǎng)度和“爬行”功能，核心艙大機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站艙外大多數(shù)位置的監(jiān)視，從而幫助航天員和地面控制人員直觀準(zhǔn)確地了解空間站各個(gè)艙段的外部設(shè)備的狀態(tài)。除了進(jìn)行空間站本身狀態(tài)的監(jiān)測(cè)外，機(jī)械臂的相機(jī)也可以監(jiān)測(cè)太空環(huán)境，如空間碎片以及外來(lái)航天器等。2023年4月24日，在八個(gè)中國(guó)航天日到來(lái)之際，中國(guó)空間站推出獨(dú)家直播《天宮之鏡》，小臂肘部相機(jī)還從多個(gè)角度帶著大家巡游了中國(guó)空間站與地球。
機(jī)械臂巡檢空間站
小機(jī)械臂視角下的蔚藍(lán)星球
空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)支持
機(jī)械臂也可以提供空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)支持，減少航天員出艙次數(shù)和工作量。2023年6月9日-10日，空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙空間輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)由機(jī)械臂抓取從貨物氣閘艙出艙，經(jīng)過(guò)中轉(zhuǎn)位，順利安裝至既定的艙外暴露平臺(tái)，裝置開機(jī)工作正常。這是我國(guó)首次開展艙外輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)，對(duì)輻射生物學(xué)和空間科學(xué)研究具有里程碑式意義。
空間輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)裝置出艙準(zhǔn)備工作
載荷出艙
機(jī)械臂助力載荷出艙
“一臂之力”
助力空間站平穩(wěn)運(yùn)行
未來(lái)
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