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載人航天辦公室日前發布消息指出，天宮空間站天和核心艙入軌半個多月以來，先后完成多項平臺功能測試，以及空間應用項目設備在軌性能檢查，各項功能正常、運行狀態良好，已進入交會對接軌道。在眾多平臺功能測試中機械手性能測試至關重要，因為它決定了未來十至二十年天宮空間站的運營質量與效率。

 

天和核心艙發射入軌畫面

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

該型機械手兩根臂桿展開長度10.2米，兩根臂桿可聯動工作，也可單臂桿工作，同時配套兩個末端執行器、一套視覺相機系統、一個總控制器，全重738kg，最大承載能力25噸，可在手動/自動兩個工作模式中自由切換。

 

天和機械臂安裝于核心艙小柱段

天和機械手有7個自由度分別對應7個關節，因此也被稱為“七自由度空間機械臂”，位置精度45mm，最大線速度與最大角速度兩項指標對比同類機械臂極具優勢，綜合性能達到了世界領先水平。

那么，天和機械手具體有哪些功能，又可以勝任哪些工作呢？

 

天和機械臂

1.艙體表面爬行轉移

天和機械手展開長度10.2米，而天宮空間站僅核心艙長度就有16.6米，更不用說另外兩個尺寸更大的實驗艙，單純依靠機械臂自身長度無論如何也不可能面面俱到。

前文提到這是一款七自由度機械臂，同時它采用了“肩部3關節+肘部1關節+腕部3關節”的配置方案，肩部與腕部關節配置相同，意味著機械臂兩端活動功能一致。

 

天和機械臂艙表爬行轉移

同時肩部與腕部各有一個末端執行器，末端執行器用于對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。在機械臂末端執行器與艙體表面適配器的對接與分離的過程中天和機械手因此具備了艙體表面爬行功能。

 

天和機械臂由小柱段轉移至大柱段

2.與實驗艙機械臂組合，實現空間站外表面全觸達

 

天和機械臂與問天機械臂組合

除天和機械臂外，問天號實驗艙也配置有一部展開長度5米的小型機械臂，兩者可對接組合成形成長度超15米的超長機械臂，并基于天和機械臂艙體爬行功能，進而實現空間站外表面的全觸達。

 

雙臂組合對接地面試驗

3.艙外狀態監視與艙表狀態檢查

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驗載荷。同時運行于近地軌道的空間站還面臨著空間碎片撞擊風險，空間輻照對艙體表面的影響也很大。

 

艙外狀態監視

尤其是空間碎片撞擊或者艙內氣體泄漏導致的失壓問題最為突出，比如國際空間站就經常飽受此類問題的折磨。

 

艙表狀態檢查

天和機械臂有一套視覺監視系統，肩部、腕部、肘部各有1臺視覺相機，其中肩部與腕部視覺相機是艙外狀態監視與艙表狀態檢查的主要設備。

4.輔助航天員出艙活動

神舟七號載人飛船乘組指令長翟志剛與協助員劉伯明曾共同實施我國首次太空出艙行走任務，距今已有將近十三年時間，而接下來進入天宮空間站的航天員將經常性執行太空出艙行走任務。

 

機械臂輔助航天員出艙活動

天舟二號作為天宮空間站工程首次貨運飛船任務攜帶了艙外航天服，下個月發射的神舟12號載人飛船乘組也將實施出艙行走，執行艙外狀態設置任務。

 

天舟二號攜帶的艙外航天服

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

5.轉位實驗艙，開展空間站在軌建造任務

天宮空間站工程分為“關鍵技術驗證”、“在軌建造”、“常態運營”三大階段，今年是關鍵技術驗證階段任務，而明年則是在軌建造階段的決勝年，屆時問天實驗艙與夢天實驗艙將與天和核心艙組成T字構型空間組合體，進而完成空間站建造任務。

 

天宮空間站主體呈T字構型

問天與夢天兩個實驗艙受限于組合體姿態控制問題無法直接與核心艙側向停泊口對接，而是要先分別與核心艙前向對接口對接，爾后由前向對接口轉位至側向停泊口，為了完成這一任務我們準備了兩個互為備份的轉位手段。

 

轉位機械臂

首先兩個實驗艙各自配置有結構簡單操控精度高的“轉位機械臂”，這是實驗艙轉位對接的主要手段。與此同時，核心艙“天和機械臂”也具備承載25噸級艙段實施轉位對接的能力，操控精度略遜于“轉位機械臂”，但仍能滿足對接要求，此為實驗艙轉位對接的備份手段。

 

天和機械臂轉位實驗艙

天舟二號貨運飛船在任務末期就將驗證天和機械臂輔助轉位對接的工程能力，為明年的在軌建造做好萬全準備。

6.捕獲懸停航天器，輔助對接

神舟載人飛船、天舟貨運飛船都具備自主交會對接能力，這既是優勢也是劣勢，優勢是不依賴外部機構自主全向對接，劣勢就是要為對接機構付出更多的生產制造與發射成本，進入空間站運營階段后降本增效將是一個重要課題。

 

監視來訪航天器

為此我們將研究基于簡易方案的空間站交會對接技術，此類航天器將簡化對接機構，并依托天和機械臂進行輔助對接。

 

捕獲懸停航天器

當來訪航天器接近空間站組合體時，機械臂末端相機可對其進行位置姿態測量，當目標進入機械臂捕獲范圍時末端執行器與目標適配器對接實施捕獲，爾后輔助來訪航天器對接。

7.轉移貨運飛船載荷

 

天舟貨運飛船的三種構型

簡而言之就是搬貨，以天舟為例，該型貨運飛船有全密封、半開放、全開放三種標準構型，其中半開放與全開放兩種構型都可以承運艙外載荷，與空間站對接后將由機械臂抓取搬運。

 

轉移貨運飛船載荷

8.輔助航天員轉移核心艙太陽翼

天宮空間站完成T字形構型建造任務后兩個實驗艙的大型柔性太陽翼將對核心艙太陽翼形成光照遮擋，從而削弱核心艙太陽翼發供電能力。

 

天和核心艙太陽翼

核心艙太陽翼早在設計之初就考慮到了這個問題，為此項目團隊設計了“在軌能源拓展功能”，核心艙發射入軌太陽翼一次展開后可再次收攏，并由航天員與機械臂聯合操作與核心艙本體分離，隨后將其轉移至問天實驗艙與夢天實驗艙短桁架軸向安裝接口，從而徹底解決由光照遮擋產生的電力供應能力下降的問題，為天宮空間站后續艙段拓展任務奠定了基礎。

 

輔助航天員轉移核心艙太陽翼

與此同時，核心艙太陽翼完成轉移后空間站還具備在軌重構供電通道能力。

天和機械手的在軌應用還有很多拓展空間，比如艙外載荷照料、對接靈巧機械手執行更精細的艙外任務等等。只有想不到，沒有做不到，炫舞太空的天和機械手將助力天宮空間站持續深化落實“太空母港”發展目標。

來源：搜狐網 巔峰高地

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