載人航天辦公室日前發(fā)布消息指出，天宮空間站天和核心艙入軌半個(gè)多月以來(lái)，先后完成多項(xiàng)平臺(tái)功能測(cè)試，以及空間應(yīng)用項(xiàng)目設(shè)備在軌性能檢查，各項(xiàng)功能正常、運(yùn)行狀態(tài)良好，已進(jìn)入交會(huì)對(duì)接軌道。在眾多平臺(tái)功能測(cè)試中機(jī)械手性能測(cè)試至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了未來(lái)十至二十年天宮空間站的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量與效率。

 

天和核心艙發(fā)射入軌畫(huà)面

天宮空間站主機(jī)械臂初始安裝位置在天和核心艙小柱段對(duì)地球一面，因此得名“天和機(jī)械臂”。

該型機(jī)械手兩根臂桿展開(kāi)長(zhǎng)度10.2米，兩根臂桿可聯(lián)動(dòng)工作，也可單臂桿工作，同時(shí)配套兩個(gè)末端執(zhí)行器、一套視覺(jué)相機(jī)系統(tǒng)、一個(gè)總控制器，全重738kg，最大承載能力25噸，可在手動(dòng)/自動(dòng)兩個(gè)工作模式中自由切換。

 

天和機(jī)械臂安裝于核心艙小柱段

天和機(jī)械手有7個(gè)自由度分別對(duì)應(yīng)7個(gè)關(guān)節(jié)，因此也被稱為“七自由度空間機(jī)械臂”，位置精度45mm，最大線速度與最大角速度兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比同類機(jī)械臂極具優(yōu)勢(shì)，綜合性能達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

那么，天和機(jī)械手具體有哪些功能，又可以勝任哪些工作呢？

 

天和機(jī)械臂

1.艙體表面爬行轉(zhuǎn)移

天和機(jī)械手展開(kāi)長(zhǎng)度10.2米，而天宮空間站僅核心艙長(zhǎng)度就有16.6米，更不用說(shuō)另外兩個(gè)尺寸更大的實(shí)驗(yàn)艙，單純依靠機(jī)械臂自身長(zhǎng)度無(wú)論如何也不可能面面俱到。

前文提到這是一款七自由度機(jī)械臂，同時(shí)它采用了“肩部3關(guān)節(jié)+肘部1關(guān)節(jié)+腕部3關(guān)節(jié)”的配置方案，肩部與腕部關(guān)節(jié)配置相同，意味著機(jī)械臂兩端活動(dòng)功能一致。

 

天和機(jī)械臂艙表爬行轉(zhuǎn)移

同時(shí)肩部與腕部各有一個(gè)末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器用于對(duì)接艙體表面的適配器，而后者在空間站三大艙段外表面皆有廣泛分布配置。在機(jī)械臂末端執(zhí)行器與艙體表面適配器的對(duì)接與分離的過(guò)程中天和機(jī)械手因此具備了艙體表面爬行功能。

 

天和機(jī)械臂由小柱段轉(zhuǎn)移至大柱段

2.與實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂組合，實(shí)現(xiàn)空間站外表面全觸達(dá)

 

天和機(jī)械臂與問(wèn)天機(jī)械臂組合

除天和機(jī)械臂外，問(wèn)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙也配置有一部展開(kāi)長(zhǎng)度5米的小型機(jī)械臂，兩者可對(duì)接組合成形成長(zhǎng)度超15米的超長(zhǎng)機(jī)械臂，并基于天和機(jī)械臂艙體爬行功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間站外表面的全觸達(dá)。

 

雙臂組合對(duì)接地面試驗(yàn)

3.艙外狀態(tài)監(jiān)視與艙表狀態(tài)檢查

天宮空間站外表面配置了諸多功能載荷，還有外掛于艙表的暴露實(shí)驗(yàn)載荷。同時(shí)運(yùn)行于近地軌道的空間站還面臨著空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)，空間輻照對(duì)艙體表面的影響也很大。

 

艙外狀態(tài)監(jiān)視

尤其是空間碎片撞擊或者艙內(nèi)氣體泄漏導(dǎo)致的失壓?jiǎn)栴}最為突出，比如國(guó)際空間站就經(jīng)常飽受此類問(wèn)題的折磨。

 

艙表狀態(tài)檢查

天和機(jī)械臂有一套視覺(jué)監(jiān)視系統(tǒng)，肩部、腕部、肘部各有1臺(tái)視覺(jué)相機(jī)，其中肩部與腕部視覺(jué)相機(jī)是艙外狀態(tài)監(jiān)視與艙表狀態(tài)檢查的主要設(shè)備。

4.輔助航天員出艙活動(dòng)

神舟七號(hào)載人飛船乘組指令長(zhǎng)翟志剛與協(xié)助員劉伯明曾共同實(shí)施我國(guó)首次太空出艙行走任務(wù)，距今已有將近十三年時(shí)間，而接下來(lái)進(jìn)入天宮空間站的航天員將經(jīng)常性執(zhí)行太空出艙行走任務(wù)。

 

機(jī)械臂輔助航天員出艙活動(dòng)

天舟二號(hào)作為天宮空間站工程首次貨運(yùn)飛船任務(wù)攜帶了艙外航天服，下個(gè)月發(fā)射的神舟12號(hào)載人飛船乘組也將實(shí)施出艙行走，執(zhí)行艙外狀態(tài)設(shè)置任務(wù)。

 

天舟二號(hào)攜帶的艙外航天服

天宮空間站不同于神舟七號(hào)，前者的組合體規(guī)模更大，出艙作業(yè)量大，難度也更大。航天員出艙行走時(shí)間通常最長(zhǎng)6小時(shí)，空間站外表面也廣泛分布著服務(wù)航天員出艙活動(dòng)的手柄裝置，但這僅限于小范圍的太空行走活動(dòng)，如果要大范圍轉(zhuǎn)移就需要機(jī)械臂輔助，否則出艙任務(wù)執(zhí)行效率將大大降低。

5.轉(zhuǎn)位實(shí)驗(yàn)艙，開(kāi)展空間站在軌建造任務(wù)

天宮空間站工程分為“關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”、“在軌建造”、“常態(tài)運(yùn)營(yíng)”三大階段，今年是關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段任務(wù)，而明年則是在軌建造階段的決勝年，屆時(shí)問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙將與天和核心艙組成T字構(gòu)型空間組合體，進(jìn)而完成空間站建造任務(wù)。

 

天宮空間站主體呈T字構(gòu)型

問(wèn)天與夢(mèng)天兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙受限于組合體姿態(tài)控制問(wèn)題無(wú)法直接與核心艙側(cè)向停泊口對(duì)接，而是要先分別與核心艙前向?qū)涌趯?duì)接，爾后由前向?qū)涌谵D(zhuǎn)位至側(cè)向停泊口，為了完成這一任務(wù)我們準(zhǔn)備了兩個(gè)互為備份的轉(zhuǎn)位手段。

 

轉(zhuǎn)位機(jī)械臂

首先兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙各自配置有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操控精度高的“轉(zhuǎn)位機(jī)械臂”，這是實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位對(duì)接的主要手段。與此同時(shí)，核心艙“天和機(jī)械臂”也具備承載25噸級(jí)艙段實(shí)施轉(zhuǎn)位對(duì)接的能力，操控精度略遜于“轉(zhuǎn)位機(jī)械臂”，但仍能滿足對(duì)接要求，此為實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位對(duì)接的備份手段。

 

天和機(jī)械臂轉(zhuǎn)位實(shí)驗(yàn)艙

天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船在任務(wù)末期就將驗(yàn)證天和機(jī)械臂輔助轉(zhuǎn)位對(duì)接的工程能力，為明年的在軌建造做好萬(wàn)全準(zhǔn)備。

6.捕獲懸停航天器，輔助對(duì)接

神舟載人飛船、天舟貨運(yùn)飛船都具備自主交會(huì)對(duì)接能力，這既是優(yōu)勢(shì)也是劣勢(shì)，優(yōu)勢(shì)是不依賴外部機(jī)構(gòu)自主全向?qū)樱觿?shì)就是要為對(duì)接機(jī)構(gòu)付出更多的生產(chǎn)制造與發(fā)射成本，進(jìn)入空間站運(yùn)營(yíng)階段后降本增效將是一個(gè)重要課題。

 

監(jiān)視來(lái)訪航天器

為此我們將研究基于簡(jiǎn)易方案的空間站交會(huì)對(duì)接技術(shù)，此類航天器將簡(jiǎn)化對(duì)接機(jī)構(gòu)，并依托天和機(jī)械臂進(jìn)行輔助對(duì)接。

 

捕獲懸停航天器

當(dāng)來(lái)訪航天器接近空間站組合體時(shí)，機(jī)械臂末端相機(jī)可對(duì)其進(jìn)行位置姿態(tài)測(cè)量，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入機(jī)械臂捕獲范圍時(shí)末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器對(duì)接實(shí)施捕獲，爾后輔助來(lái)訪航天器對(duì)接。

7.轉(zhuǎn)移貨運(yùn)飛船載荷

 

天舟貨運(yùn)飛船的三種構(gòu)型

簡(jiǎn)而言之就是搬貨，以天舟為例，該型貨運(yùn)飛船有全密封、半開(kāi)放、全開(kāi)放三種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型，其中半開(kāi)放與全開(kāi)放兩種構(gòu)型都可以承運(yùn)艙外載荷，與空間站對(duì)接后將由機(jī)械臂抓取搬運(yùn)。

 

轉(zhuǎn)移貨運(yùn)飛船載荷

8.輔助航天員轉(zhuǎn)移核心艙太陽(yáng)翼

天宮空間站完成T字形構(gòu)型建造任務(wù)后兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的大型柔性太陽(yáng)翼將對(duì)核心艙太陽(yáng)翼形成光照遮擋，從而削弱核心艙太陽(yáng)翼發(fā)供電能力。

 

天和核心艙太陽(yáng)翼

核心艙太陽(yáng)翼早在設(shè)計(jì)之初就考慮到了這個(gè)問(wèn)題，為此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了“在軌能源拓展功能”，核心艙發(fā)射入軌太陽(yáng)翼一次展開(kāi)后可再次收攏，并由航天員與機(jī)械臂聯(lián)合操作與核心艙本體分離，隨后將其轉(zhuǎn)移至問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙短桁架軸向安裝接口，從而徹底解決由光照遮擋產(chǎn)生的電力供應(yīng)能力下降的問(wèn)題，為天宮空間站后續(xù)艙段拓展任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

 

輔助航天員轉(zhuǎn)移核心艙太陽(yáng)翼

與此同時(shí)，核心艙太陽(yáng)翼完成轉(zhuǎn)移后空間站還具備在軌重構(gòu)供電通道能力。

天和機(jī)械手的在軌應(yīng)用還有很多拓展空間，比如艙外載荷照料、對(duì)接靈巧機(jī)械手執(zhí)行更精細(xì)的艙外任務(wù)等等。只有想不到，沒(méi)有做不到，炫舞太空的天和機(jī)械手將助力天宮空間站持續(xù)深化落實(shí)“太空母港”發(fā)展目標(biāo)。

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