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中国空间站机械臂有多牛?舱外爬行、捕获飞行器,美国看了都怕

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在进入中国自己的空间站后,航天员要干些什么呢?神州十二飞行乘组需要进行长达6、7个小时的出舱活动,其中一个考验是,三个航天员需要一起配合进行机械臂的使用。


它是我国目前智能程度最高、规模与技术难度最大、系统最复杂的空间智能制造系统,而中国天和核心舱的机械臂引起了美国的注意,美国国太空司令部司令詹姆斯·迪金森向美国国会表示,美国军方对中国太空能力的快速发展感到担忧,特别是中国有一款配备了机械臂的卫星,这种卫星可以靠近敌方卫星并使其失效。


为什么中国天和机械臂会让美国害怕呢?除了美国有被迫害妄想症之外,的确是中国天和核心舱机械臂太强。

空间站机械臂发展历史

20世纪70年代,美国率先提出了在宇宙空间利用机器人系统的概念,旨在通过机器人的应用进行设备的组装、回收、维修,以及在极其恶劣的空间环境下完成一些人类难以完成的舱外活动。

1981年哥伦比亚号航天飞机在外太空首次使用机械臂以来,空间机械臂承担了多次外太空精确操作任务。航天技术的发展, 空间机械臂起到非常重要的作用。


从 2007 年起,中国空间技术研究院总体部全面启动了空间站机械臂的研发工作,在研制初期,中国就确定了空间站机械臂性能必须能够完成以下任务:

1、空间站舱段转位与辅助对接: 空间站三舱基本构型采用对接和转位的方式完成建造,实验舱先对接于核心舱节点舱的轴向端口,然后通过机械臂实现舱段分离、转位、再对接操作,对接于节点舱侧面;
2、悬停飞行器捕获与辅助对接: 采用机械臂实现来访飞行器捕获,并将其转移至空间站停泊口或对接口处,完成来访飞行器与空间站对接;
3、支持航天员出舱活动: 航天员通过脚限位器可以将自己固定于机械臂末端,在机械臂的支持下,进行大范围转移完成既定任务;
4、舱外各类负载搬运: 通过机械臂实现不同负载的位置转移;
5、舱外状态检查: 利用机械臂末端可移动能力及配置的视觉系统,实现空间站定期巡检,舱体表面图像传回舱内,供舱内航天员( 或地面飞控人员) 观察,判断舱壁健康状态;
6、舱外设备安装、更换或维修: 航天员在舱内控制机械臂实现空间站平台、载荷等大质量设备的安装、更换或维修过程中搬运、机械对齐与连接等工作。



经过了10年的研发,贯穿整个载人航天三期任务,完成正样11个品种共上百台产品交付,最终研制成功了天和核心舱机械臂。


天和核心舱有多牛

天和核心舱机械臂是我国首个具有七个自由度的机械臂,工作时最长长度可达18米左右、直径约4米左右,可以承载重达25吨的大型航天器舱段。

七个自由度是对人类手臂的最真实还原。机械臂本体由 7 个关节、2 个末端执行器、2个臂杆、1 个中央控制器以及 1 套视觉相机系统组成。

关节的配置采用“肩 3 + 肘 1 + 腕 3”方案,即肩部依次设置肩回转关节、肩偏航关节和肩俯 仰关节,肘部设置肘俯仰关节,腕部依次设置腕俯 仰关节、腕偏航关节和腕回转关节。


这种对称的结构可在空间站舱体表面实现肩、腕互换的位置转移,类似于木工常用的榫卯结构,可实现舱体爬行功能,以一种类似蠕虫的运动方式移动到空间站的许多部分,进而在更大范围触达空间站各舱体外表面。


问天实验舱也配置了一款展开长度达5米的小型机械臂,届时可以与问天和机械臂对接,并基于后者首尾互换的爬行功能,进而实现空间站外表面的全触达。末端执行器能够实现对目标适配器的捕获、锁紧和释放,从而完成对目标的抓握。


当天舟二号货运飞船,神舟十二号飞船或者光学舱在附近的时候,它都能抓取到,当然如果有其他国家的航天企业来到它的附近,也可以被它抓取或者修理,类似美剧《太空部队》中剪掉美国的太阳能电池板的桥段是可以上演的。


中国天和核心舱机械臂已经可以媲美美国最先进的“加拿大臂2”型机械臂,美国的“加拿大臂2”型机械臂也是7自由度机械臂,也支持在空间适当的位置抓取和释放自由飞行物,例 如对一些卫星和飞船进行维修任务时需要机械臂进行抓取和释放任务,宇航员进行舱外活动提供支持,其中包括宇航员的运输、灯光、定位、临时设备 储存等,但只能抓握11吨物体,且只能在美国制造的舱段上活动,实际并不能达到爬行的目的。

此次神舟十二号任务,“天和”核心舱的机械臂将助三名航天员一臂之力,让航天员实现人机协同,能在较短的时间内实现较远距离的移动,到达空间站的任何一个角落。无论是取回放置在舱外的科学实验仪器,还是对“天和”核心舱实现全方位的肉眼检查,机械臂的加入都将令这些操作变得十分轻松且方便。


总结

天和核心舱机械臂是中国自主研发,中国电科研制配套了七个关节运动驱动组件及高精度位置传感器、三个末端执行器。其中,七个关节驱动组件及高精度位置传感器是实现机械臂运动、精确定位的执行机构,中国电科突破了小型化设计技术、长寿命空间运动部件润滑技术等关键技术难题。

其中难度最高的机械臂操作台则是由中国510所负责研制,机械臂操作台一头管理着机械臂,一头联系着航天员与地面测控中心;它是空间机械臂与空间站数据交互的集散地,也是航天员与机械臂实现交互的终端。机械臂操作台针对空间机械臂复合运动、单自由度运动等操控需求,提供了主从异构型的交互模式,丰富了我国航天员在轨人机交互的方式,解决了航天员对空间机械臂的有效操控和直接监测。另外机械臂操作台也是在轨进行机械臂操控的学习机,提供的在轨训练模式可供航天员对空间机械臂操作进行流程预演与确认。


机械臂操作台基于国产计算平台研发,实现了在计算资源受限情况下的并联机构闭环控制、力渲染、空间矢量控制、系统微振动抑制、系统微振动抑制、图形显示及加速、投射电容触控技术等关键技术的突破,整体指标达到国际先进水平。


可以说,中国航天和核心舱机械臂堪称变形金刚,这还是在美国制裁围堵打压下,中国全自主研发出的产品,可以预见,中国航天的未来将会是更广阔的星辰大海。

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