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揭祕!它們助航天員出艙“一臂之力”

來源:光明網-《光明日報》作者:張蕾 張宇 王凱責任編輯:于海洋
2021-07-05 15:52

揭祕!它們助航天員出艙“一臂之力”

光明日報記者 張 蕾 光明日報通訊員 張 宇 王 凱

7月4日,中國空間站核心艙機械臂首次託舉航天員劉伯明到指定位置圓滿完成出艙操作,抬昇天和核心艙艙外全景相機的位置,並驗證機械臂的大範圍轉移能力,完成了我國空間站工程建造任務的又一壯舉。

出艙活動是航天員身着艙外航天服在航天器外進行太空行走和作業的統稱。在空間站任務中,航天員將進行多次出艙活動,完成空間站的維修、維護及建造等任務。那麼,你知道在哪些設備與產品的支持下,航天員才能順利完成出艙活動嗎?

7月4日,在北京航天飛行控制中心大屏拍攝的航天員劉伯明出艙場面。新華社發

名副其實的“大力士”——機械臂

空間站核心艙機械臂由航天科技集團五院抓總研製,是目前同類航天產品中複雜度最高、規模最大、控制精度最高的空間智能機械系統。它的展開長度為10.2米,最多能承載25噸的重量,是空間站任務中的“大力士”,主要承擔艙段轉位、航天員出艙活動、艙外貨物搬運、艙外狀態檢查、艙外大型設備維護等八大類在軌任務。

作為我國首個可長期在太空軌道運行的機械臂,空間站核心艙機械臂肩部設置了3個關節、肘部設置了1個關節、腕部設置了3個關節,一共7個關節。“每個關節對應1個自由度,就如同人的手臂一般,具有7個自由度的活動能力。通過各個關節的旋轉,能夠實現自身前後左右任意角度與位置的抓取和操作,為航天員順利開展出艙任務提供強有力的保證。”航天科技集團五院空間站系統機械臂控制負責人梁常春介紹。

據悉,為擴大任務觸及範圍,機械臂還具備“爬行”功能。由於機械臂採用“肩3+肘1+腕3”的關節配置方案,肩部和腕部關節配置相同,意味着其兩端活動功能一樣。同時,肩部與腕部各安了一個末端執行器——“作為機器臂的觸手,末端執行器可以對接艙體表面安裝的目標適配器,機械臂通過末端執行器與目標適配器對接與分離,同時配合各關節的聯合運動,從而實現在艙體上的爬行轉移。”航天科技集團五院空間站系統機械臂主任設計師王友漁指出。

空間站機械臂是我國航天事業發展的新領域之一。在抓總研製過程中,研製團隊在關鍵技術、原材料選用、製造工藝、適應空間站環境的長壽命設計等方面均作出了重大突破和創新,全部核心部件實現國產化,並形成多項國家空間機器人行業標準。

艙外維修與輔助工具首次亮相

作為航天員執行出艙任務的“機械夥伴”——艙外維修與輔助工具在此次出艙活動中首次亮相。

“艙外維修與輔助工具可協助航天員,有效克服在軌着航天服狀態下手套充壓後操作不便、航天員需單手操作難度大、在軌防漂要求高等難題,具備輔助航天員在軌着航天服狀態下開展艙外行走、位姿轉換、設備更換、產品安全防護等多項功能,是航天員執行艙外活動必不可少的工具。”航天科技集團五院總裝與環境工程部空間站艙外維修工具負責人傅浩介紹。

為確保艙外維修與輔助工具滿足上述應用需求,在首次出艙前,航天員就已經對維修工具進行了健康狀態檢查、使用狀態設置等。“第一次出艙時,腳限位器操作枱、通用把手、電動工具這些東西需要提前放到節點艙,兩套航天服提前做好氣密性檢查,還有相關的一些準備工作。”航天科技集團五院空間站總體總裝副主任設計師刁常堃説。

據航天科技集團五院載人航天器在軌維修技術實驗室負責人王昊介紹,艙內的工具配套大概有幾十種,艙外的也有十幾種。“對航天員來説,可使用的工具越來越豐富,所有的動作和流程都在總體設計時進行了仿真驗證。”

據悉,艙外維修與輔助工具不僅有用於艙外設備維修的電動工具、扳手、通用把手等,也有各種配合航天員艙外姿態穩定、轉換的便攜式腳限位器、艙外操作枱等。其中,艙外電動工具是此次維修任務用到的唯一一個機電類工具,可以適應艙外複雜的真空和高低温環境,具有定力矩擰緊、擰鬆的工作模式,並且設置有休眠模式。艙外通用把手可以安裝到維修設備上,用於航天員在軌維修時轉移待維修設備或者防止其漂移。艙外輔助維修工具包含便攜式腳限位器、兩種便攜式安全帶、艙外操作枱及微型工作台。“便攜式腳限位器是此次維修任務中機構設計最為複雜的產品,共設計有旋轉、俯仰、滾轉、偏航4個關節自由度,可協助航天員在艙外調整至執行任務的工作姿態;與之配合使用的艙外操作枱,可幫助航天員在執行維修任務時掛放設備和維修工具,從而解放雙手,實現設備或維修工具的臨時存放;便攜式安全帶可以防止航天員在艙外作業時位置設備及維修工具漂移;而與航天服直接相連的微型工作台,則像一根多功能腰帶一樣環繞在航天服腰部,方便航天員隨身攜帶出艙使用的維修工具,確保隨用隨取。”傅浩解釋。

航天員出艙後如何與地面聯繫

航天員進行出艙活動時,與地面建立高速及時的通信聯繫尤為重要。因此,出艙活動不僅是對航天員的全方位考驗,也是對空間站天和核心艙與地面測控站間通信能力的一大考驗。

航天科技集團五院研製的第三代中繼終端產品,通過與中繼衞星天鏈一號和天鏈二號建立中繼鏈路,實現中繼通信,確保航天員與地面通信的實時暢通。“這就好比在太空中搭建地面與中繼衞星、中繼衞星與航天員之間的‘天路’。”航天科技集團五院西安分院載人航天工程任務中繼終端研製負責人餘曉川這樣比喻。

據餘曉川介紹,空間站中繼終端與其他型號在設計上最大的區別在於,為了保證在軌使用的長壽命,需要具備在軌可維修性。“空間站中繼終端採用集成化、模塊化的設計思路,在保證傳輸信號質量的同時,也方便航天員維修更換。”

航天員出艙後,還需測控通信產品提供通信保障。航天科技集團五院研製的出艙通信子系統,可以實現艙內外航天員之間、艙內外航天員與地面人員之間、艙外航天員之間的全雙工語音通信,在艙外活動範圍內實現無線通信全覆蓋。“與上一代出艙通信系統相比,該產品具有通信距離更遠、通信速率更高、工作壽命更長等特點;同時,由於採用了功率控制、抗多徑等措施,該產品具有更強的空間環境抗電磁干擾能力,並支持多名航天員同時出艙活動時的通話功能。”航天科技集團五院513所出艙通信子系統產品主管設計師劉福平指出。

(光明日報北京7月4日電)

《光明日報》( 2021年07月05日 08版)

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