艙外爬行、捕獲飛行器,中國空間站機械臂有多牛?


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艙外爬行、捕獲飛行器,中國空間站機械臂有多牛?

在進入中國自己的空間站後,航天員要幹些什麼呢?神州十二飛行乘組需要進行長達6、7個小時的出艙活動,其中一個考驗是,三個航天員需要一起配合進行機械臂的使用。

它是我國目前智能程度最高、規模與技術難度最大、系統最複雜的空間智能製造系統,而中國天和核心艙的機械臂引起了美國的注意,美國國太空司令部司令詹姆斯·迪金森向美國國會表示,美國軍方對中國太空能力的快速發展感到擔憂,特別是中國有一款配備了機械臂的衛星,這種衛星可以靠近敵方衛星並使其失效。

為什麼中國天和機械臂會讓美國害怕呢?除了美國有被迫害妄想症之外,的確是中國天和核心艙機械臂太強。

空間站機械臂發展歷史

20世紀70年代,美國率先提出了在宇宙空間利用機器人系統的概念,旨在通過機器人的應用進行設備的組裝、回收、維修,以及在極其惡劣的空間環境下完成一些人類難以完成的艙外活動。

1981年哥倫比亞號航天飛機在外太空首次使用機械臂以來,空間機械臂承擔了多次外太空精確操作任務.航天技術的發展, 空間機械臂起到非常重要的作用。

從2007 年起,中國空間技術研究院總體部全面啟動了空間站機械臂的研發工作,在研製初期,中國就確定了空間站機械臂性能必須能夠完成以下任務:

1、空間站艙段轉位與輔助對接: 空間站三艙基本構型採用對接和轉位的方式完成建造,實驗艙先對接於核心艙節點艙的軸向端口,然後通過機械臂實現艙段分離、轉位、再對接操作,對接於節點艙側面;

2、懸停飛行器捕獲與輔助對接: 採用機械臂實現來訪飛行器捕獲,並將其轉移至空間站停泊口或對接口處,完成來訪飛行器與空間站對接;

3、支持航天員出艙活動: 航天員通過腳限位器可以將自己固定於機械臂末端,在機械臂的支持下,進行大範圍轉移完成既定任務;

4、艙外各類負載搬運: 通過機械臂實現不同負載的位置轉移;

5、艙外狀態檢查: 利用機械臂末端可移動能力及配置的視覺系統,實現空間站定期巡檢,艙體表面圖像傳回艙內,供艙內航天員( 或地面飛控人員) 觀察,判斷艙壁健康狀態;

6、艙外設備安裝、更換或維修: 航天員在艙內控制機械臂實現空間站平台、載荷等大質量設備的安裝、更換或維修過程中搬運、機械對齊與連接等工作。

經過了10年的研發,貫穿整個載人航天三期任務,完成正樣11個品種共上百台產品交付,最終研製成功了天和核心艙機械臂。

天和核心艙有多牛

天和核心艙機械臂是我國首個具有七個自由度的機械臂,工作時最長長度可達18米左右、直徑約4米左右,可以承載重達25噸的大型航天器艙段。

七個自由度是對人類手臂的最真實還原。機械臂本體由7 個關節、2 個末端執行器、2個臂桿、1 個中央控制器以及1 套視覺相機系統組成。

關節的配置採用“肩3 + 肘1 + 腕3”方案,即肩部依次設置肩迴轉關節、肩偏航關節和肩俯仰關節,肘部設置肘俯仰關節,腕部依次設置腕俯仰關節、腕偏航關節和腕迴轉關節。

這種對稱的結構可在空間站艙體表面實現肩、腕互換的位置轉移,類似於木工常用的榫卯結構,可實現艙體爬行功能,以一種類似蠕蟲的運動方式移動到空間站的許多部分,進而在更大範圍觸達空間站各艙體外表面。

問天實驗艙也配置了一款展開長度達5米的小型機械臂,屆時可以與天和機械臂對接,並基於後者首尾互換的爬行功能,進而實現空間站外表面的全觸達。末端執行器能夠實現對目標適配器的捕獲、鎖緊和釋放,從而完成對目標的抓握。

當天舟二號貨運飛船,神舟十二號飛船或者光學艙在附近的時候,它都能抓取到,當然如果有其他國家的航天企業來到它的附近,也可以被它抓取或者修理,類似美劇《太空部隊》中剪掉美國的太陽能電池板的橋段是可以上演的。

中國天和核心艙機械臂已經可以媲美美國最先進的“加拿大臂2”型機械臂,美國的“加拿大臂2”型機械臂也是7自由度機械臂,也支持在空間適當的位置抓取和釋放自由飛行物,例對一些衛星和飛船進行維修任務時需要機械臂進行抓取和釋放任務,宇航員進行艙外活動提供支持,其中包括宇航員的運輸、燈光、定位、臨時設備儲存等,但只能抓握11噸物體,且只能在美國製造的艙段上活動,實際並不能達到爬行的目的。

此次神舟十二號任務,“天和”核心艙的機械臂將助三名航天員一臂之力,讓航天員實現人機協同,能在較短的時間內實現較遠距離的移動,到達空間站的任何一個角落。無論是取回放置在艙外的科學實驗儀器,還是對“天和”核心艙實現全方位的肉眼檢查,機械臂的加入都將令這些操作變得十分輕鬆且方便。

總結

天和核心艙機械臂是中國自主研發,中國電科研製配套了七個關節運動驅動組件及高精度位置傳感器、三個末端執行器。其中,七個關節驅動組件及高精度位置傳感器是實現機械臂運動、精確定位的執行機構,中國電科突破了小型化設計技術、長壽命空間運動部件潤滑技術等關鍵技術難題。

其中難度最高的機械臂操作台則是由中國510所負責研製,機械臂操作台一頭管理著機械臂,一頭聯繫著航天員與地面測控中心;它是空間機械臂與空間站數據交互的集散地,也是航天員與機械臂實現交互的終端。機械臂操作台針對空間機械臂複合運動、單自由度運動等操控需求,提供了主從異構型的交互模式,豐富了我國航天員在軌人機交互的方式,解決了航天員對空間機械臂的有效操控和直接監測。另外機械臂操作台也是在軌進行機械臂操控的學習機,提供的在軌訓練模式可供航天員對空間機械臂操作進行流程預演與確認。

機械臂操作台基於國產計算平台研發,實現了在計算資源受限情況下的並聯機構閉環控制、力渲染、空間矢量控制、系統微振動抑制、系統微振動抑制、圖形顯示及加速、投射電容觸控技術等關鍵技術的突破,整體指標達到國際先進水平。

可以說,中國天和核心艙機械臂堪稱變形金剛,這還是在美國製裁圍堵打壓下,中國全自主研發出的產品,可以預見,中國航天的未來將會是更廣闊的星辰大海。