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中国未来空间站的好“帮手” 国产太空机械臂

中国未来空间站的好“帮手” 国产太空机械臂

珠海航展上,未来中国空间配套的国产太空机械臂首次亮相

中国未来空间站的好“帮手” 国产太空机械臂

资料图:目前投入使用的太空机械臂中,国际空间站上的“加拿大臂2号”在尺寸和复杂度上堪称第一

中国未来空间站的好“帮手” 国产太空机械臂

资料图:这个复杂得堪比圣诞树的机械是国际空间站上的“灵巧机械手”拥有15个自由度,使用时安装在加拿大臂的前端,图为它正在为国际空间站更换太阳能电池板。展出的中国机械臂模型略显原始,而且两端都一样,推测这只是个通用接口,未来实际使用的中国机械臂前端可能也会配备类似“灵巧机械手”的设备。

2012年第九届珠海航展上,我国航天科技集团展出了未来大型空间站的机械臂,给爱好者们带来了不小的惊喜。空间站机械臂是我国空间站的三大关键技术之一,本届航站展出的空间站机械臂由航天科技集团第五研究院研制,是一种具备“爬行”能力的七自由度冗余机械臂系统,可用于空间站的建造和维护,并可辅助航天员的舱外活动。

空间机械臂本身就是一个智能机器人,具备精确操作能力和视觉识别能力,既具有自主分析能力也可由航天员进行遥控,是集机械、视觉、动力学、电子和控制等学科为一体的高端航天装备,是航天飞机开创的一个空间机构发展新方向。通过航天飞机和国际空间站的实际使用,空间机械臂显示出强大的应用能力和广阔的应用前景,对空间科学和应用的发展起到了很大的带动作用,可以说是人类太空活动日益增多,活动规模不断扩大的产物。

人类进入太空的初期,只拥有简单的飞船和不具备再补给能力的第一代空间站,空间科学应用的规模和层次都受到了很大的限制。随着载人航天的继续发展,苏联礼炮六号等空间站开始具备了使用货运飞船再补给的能力,不过两者直接对接,显然不需要复杂的空间机械臂系统辅助工作。

20世纪70年代美国航天飞机开始研制,1981年航天飞机开始发射升空,航天飞机上携带了一套由加拿大斯巴宇航公司(SPAR Aerospace)研制的六自由度机械臂系统,一般称之为航天飞机遥控机械臂系统(SRMS)或是加拿大机械臂一(Canadarm 1)。加拿大机械臂总长度15.2米、直径0.38米,自重410千克,加拿大机械臂最初具备部署释放或是抓取332.5千克载荷的能力,20世纪90年代中期加拿大机械臂系统升级负荷质量以支持空间站建设工作。加拿大机械臂早在1981年的STS-2任务中就正式登场,航天飞机曾在50多次飞行任务使用加拿大机械臂。加拿大机械臂作为空间机械臂的开路先锋,显示了机械臂广阔的使用范围和巨大的发展潜力,极大促进了空间机械臂的发展,此后的美苏空间站设计都带有空间站机械臂,其中尤其著名的就是国际空间站上的空间站遥控机械臂系统(SSRMS)。SSRMS又称加拿大机械臂二,在通过航天飞机部署到国际空间站后,在空间站的建设、维护、补给和使用的过程中中发挥了不可缺少的作用,加拿大航天局也因此获得了国际空间站3%的使用权。加拿大机械臂2性能强大,但同样花费不菲,从1984年自由号空间站提出到它运抵国际空间站开始工作,加拿大航天局在该项目上投资高达10亿美元。

空间机械臂具有广泛丰富的用途和强大灵活的功能,中国载人航天工程的空间站项目开始启动后,中国航天科技集团五院和八院等多家单位都开始了空间站机械臂的论证和研究工作。经过长时间的预研和最后的激烈竞争,2012年航天科技集团五院最终获得了空间站机械臂项目。虽然获胜是在2012年,但2005年五院就开始了空间站机械臂的研究,当时机械臂新技术比例超过80%,而且在保障控制定位精度的同时进行远程控制,还要具备视觉识别和自主分析避障能力。加拿大机械臂2能自动移动到目标毫米级别的距离上,系统技术难度可想而知,再加上空间机械臂既没有国内资料参考,也无法获得国外技术输入,研究过程可谓困难重重。航天五院科研人员迎难而上,面对这一多学科一体化的复杂系统,集中本院的相关资源,并联合国内相关高校和科研院所,统筹规划组建了空间站机械臂项目团队开展研制工作。2005年到2006年,机械臂团队自主开展了六自由度小型机械比研制工作,2007年到2008年开始研制载人航天工程三期空间站的机械臂原理样机,并在2008年完成了研制工作,解决了总体设计和分系统设计等一系列难题。随着我国空间站任务和设计的重新定位,对空间站机械臂的定位精度尤其是可达范围提出了更高的要求,于是五院空间站机械臂团队提出了研制更为复杂的七自由度荣誉机械臂的设想,使机械臂能够类似同样七自由度的加拿大机械臂2那样具备自主“爬行”能力,与航天八院的设计方案拉开了距离,奠定了竞争胜利的基础。

从珠海航展的现场介绍看,航天五院的七自由度冗余机械臂长10米、最大负载25吨,在轨运行10年以上,可满足我国建造、维护和使用大型长期有人照料空间站的需求。空间站机械臂作为未来空间站的大型空间设备,不仅是空间站建设、维护和使用的关键设备,也将提高空间科学应用的规模和水平,海军爱你乖提高我国控制、电子、空间润滑以及自主规划等相关技术领域的发展。()

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