TUhjnbcbe - 2024/7/3 0:14:00
预计再有一个多月天宫空间站天和一号核心舱就将搭乘长征五号乙遥二运载火箭升空，载人航天工程由此正式进入空间站时代。天和一号核心舱、问天号实验舱Ⅰ、梦天号实验舱Ⅱ将构成天宫空间站基本构型，加上载人飞船、货运飞船，以及后续巡天光学望远镜，空间站一期工程最大规模可达百吨级。长征五号B遥二运载火箭天宫空间站今年执行的发射任务属于关键技术验证阶段，分别安排了天和一号核心舱、天舟二号货运飞船、神舟十二号载人飞船、天舟三号货运飞船、神舟十三号载人飞船，总计5次发射任务。完成关键技术验证阶段任务后明年天宫空间站将直接转入在轨建造阶段，问天号实验舱Ⅰ、梦天号实验舱Ⅱ先后发射升空与天和一号核心舱对接，两座实验舱的目标对接位置是核心舱前端节点舱的二四象限，也就是说要对称布置在节点舱两侧停泊对接口。天和核心舱前端节点舱两座实验舱与核心舱一样都是20吨级大型舱段，前者无法与后者的侧向停泊对接口直接对接，这是为什么呢？直接对接就意味着实验舱需要开启姿轨控动力系统，进行有动力对接，由于侧向对接不是轴向对接，组合体质心极难调控，轻则空间站姿态失稳，重则空间站结构严重损伤，这都是无法接受的后果。解决大质量舱段在轨组装的关键装备是机械臂，问天号实验舱Ⅰ先行与天和一号核心舱节点舱轴向对接口对接，此一环节空间站组合体质心易调控，尔后由转位机械臂将问天实验舱Ⅰ分离转移至节点舱侧向停泊口对接。用大型机械臂捕获实验舱对接的早期设计在天宫空间站早期设计阶段曾计划使用核心舱大型机械臂进行转位组装，那么为什么最终没有选择这一方案呢？首先要知道天宫空间站应用的是异体同构周边式对接装置，此类装置有较好的对接精度容错机制，因此会产生较大的撞击能量，就好比饮料瓶的盖子如果旋拧方向不正就很难拧紧，但可以通过更大的力道使之归正，进而拧紧，异体同构周边对接装置也是同样的逻辑，如果对接有误差就需要更大的推力使之归正。异体同构周边对接试验机械臂对接精度越高，对推力要求越低，反之亦然。天宫空间站两个实验舱发射质量均超过20吨，规模超过了当前国际空间站任一舱段，大型机械臂由于臂杆长且自由度较多，对接精度显然不如结构更加简单的“转位机械臂”，这就对机械臂推力提出了更高要求。即便是当前世界最大承载力的国际空间站遥控操作器系统在控制百吨级航天飞机轨道器进行对接时，其最终的对接推力也并非来自机械臂，而是航天飞机轨道器自身的姿控动力。实验舱转位机械臂天宫空间站实验舱对接任务最终选择转位机械臂的核心原因就是控制精度更高，可以大幅度降低异体同构周边对接装置的推力负荷，且转位机械臂结构简单工况可靠性也更高，对于要求万无一失的在轨组装任务而言是再合适不过了。转位机构布局转位机械臂由转臂与基座两部分组成，转臂安装在实验舱对接面，由肩关节、转臂、腕关节组成，基座则安装在核心舱节点舱两侧，二者通过锥形捕获机构连接。通过腕关节可实现实验舱与核心舱之间的相对转动，肩关节则可实现实验舱与转臂之间的相对转动。转位机械臂锥形捕获机构（旋转基座）问天号实验舱Ⅰ与梦天号实验舱Ⅱ完成转位对接任务后转位机械臂也就完成了自己的历史使命，此时天宫空间站也可以宣告在轨建造任务完成。接下来天宫空间站就将转入常态化在轨运营阶段，此后另外两个机械臂将发挥作用。在空间站全寿命周期发挥作用的是“远程机械臂系统”，系统架构分为天上系统与地面系统两大部分。三舱组装完毕后天宫空间站进入常态运营地面系统主要承担遥操作职能，可以减轻航天员天上工作强度负荷，由地面控制机械臂工作。天上系统分为舱内部分与舱外部分，舱内部分有在轨操作平台，由航天员控制机械臂工作。舱外部分则包括锁紧释放机构、机械臂本体、目标适配器三部分。远程机械臂系统执行机构由核心舱机械臂与问天号实验舱Ⅰ机械臂组成，核心舱机械臂长约10米，质量公斤，承载能力25吨，负载自重比、操控精度等指标均达到世界领先水平，且全部核心部件实现国产化。由于要在空间站全寿命周期服役，因此对部件可靠性要求更高，例如电机系统就进行了上亿转验证测试。核心舱机械臂安装在小柱段外表面核心舱机械臂与实验舱机械臂都属于七自由度机械臂，自由度是指物体具有的独立运动的数目，空间机械臂末端需要执行三维空间的位置与姿态控制，一般而言机械臂要有6个自由度，而要达到类似人类手臂的运动能力则至少有7个自由度。七自由度空间机械臂也意味着有7个活动关节，核心舱机械臂肩部有3个关节，执行俯仰、偏航、回转操作，两个臂杆之间的肘部有一个俯仰关节，机械臂末端腕部也配置3个关节，功能与肩部三关节一样。核心舱七自由度大型机械臂核心舱机械臂由此形成肩部3关节、肘部1关节、腕部3关节配置，如此布局的好处是可以头尾互换，机械臂首尾两端各有一个末端执行器，肩部末端执行器与腕部末端执行器都可以通过目标适配器实现与舱体的对接与分离，进而在空间站舱体外表面进行爬行。目标适配器不仅可以实现物理对接，也可以进行电力连接，被称为PDGF电力数据抓取夹具。目标适配器即可以用于机械臂对接与分离实现爬行操作，也可以在载人飞船、货运飞船等其他航天器上布置此类接口，并由机械臂抓取辅助对接空间站。目标适配器（PDGF电力数据抓取夹具）核心舱机械臂还能用于对接人员操作台辅助航天员在空间站舱外实现大范围转移，进行舱外活动。核心舱机械臂辅助航天员舱外活动为了增强环境信息感知能力，核心舱机械臂在肩部、肘部、腕部三处位置各配置一台视觉相机，肩部与腕部视觉相机是双目手眼相机，它可以在10米范围内呈现出人眼立体成像效果，助力机械臂精准操控。问天号实验舱Ⅰ机械臂结构组成实验舱机械臂主要用于暴露平台的载荷照料，例如实验载荷的安装、回收、更换等操作，也可支持航天员舱外活动，以及舱外设备巡检、大型载荷搬运等工作。它还可以与核心舱机械臂直接对接，形成长度达15米的超长机械臂，并通过核心舱机械臂爬行功能实现对空间站外表面的全触达。问天号实验舱Ⅰ机械臂安装位置除了完备的舱外远程机械臂系统天宫空间站还有可能应用天宫二号空间实验室在轨验证过的机械手系统，该系统由5指仿人灵巧手与6自由度机械臂组成，并辅以视觉测量系统，由航天员在轨操作。它可以跟随航天员肢体同步运作，在轨验证期间连续执行了拆卸电连接器、撕开多层防护材料、使用电动工具拧松螺丝等模拟维修试验，还可以抓取空中漂浮物，机械手系统研发目的是替代航天员执行舱外任务，大大减轻航天员出舱任务负荷，安全性更高。可以预见在天宫空间站任务中一套更为成熟的机械手系统必将再次闪耀太空。天宫二号空间实验室机械手在轨试验人们常说天宫空间站是麻雀虽小五脏俱全，而实际上它从里到外都与“小”无关。四大舱段任一舱段规模皆超越所谓国际空间站的任一舱段，机械臂从小到大应有尽有，搭载科研机柜数量更是与国际空间站等量齐观。天宫空间站一期工程最大构型天宫空间站一路走来从简陋的20吨级一居室，到三舱基本构型，再到如今三舱加巡天光学舱的吨级扩展构型，后续还规划有以天和二号核心舱为基础的空间站二期扩展工程，届时空间站规模将直逼吨级，空间站建造方案屡屡扩容背后是综合国力日益增强的发展红利。我相信在其15年乃至更长时间服役生涯中还会诞生更多的太空奇迹，进而为构建人类命运共同体做出更大贡献。