7月4日，中國(guó)空間站核心艙機(jī)械臂首次托舉航天員劉伯明到指定位置圓滿完成出艙操作，抬升天和核心艙艙外全景相機(jī)的位置，并驗(yàn)證機(jī)械臂的大范圍轉(zhuǎn)移能力，完成了我國(guó)空間站工程建造任務(wù)的又一壯舉。
出艙活動(dòng)是航天員身著艙外航天服在航天器外進(jìn)行太空行走和作業(yè)的統(tǒng)稱。在空間站任務(wù)中，航天員將進(jìn)行多次出艙活動(dòng)，完成空間站的維修、維護(hù)及建造等任務(wù)。那么，你知道在哪些設(shè)備與產(chǎn)品的支持下，航天員才能順利完成出艙活動(dòng)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(chǎng)面。新華社發(fā)
名副其實(shí)的“大力士”——機(jī)械臂
空間站核心艙機(jī)械臂由航天科技集團(tuán)五院抓總研制，是目前同類航天產(chǎn)品中復(fù)雜度最高、規(guī)模最大、控制精度最高的空間智能機(jī)械系統(tǒng)。它的展開長(zhǎng)度為10.2米，最多能承載25噸的重量，是空間站任務(wù)中的“大力士”，主要承擔(dān)艙段轉(zhuǎn)位、航天員出艙活動(dòng)、艙外貨物搬運(yùn)、艙外狀態(tài)檢查、艙外大型設(shè)備維護(hù)等八大類在軌任務(wù)。
作為我國(guó)首個(gè)可長(zhǎng)期在太空軌道運(yùn)行的機(jī)械臂，空間站核心艙機(jī)械臂肩部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)、肘部設(shè)置了1個(gè)關(guān)節(jié)、腕部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)，一共7個(gè)關(guān)節(jié)。“每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)1個(gè)自由度，就如同人的手臂一般，具有7個(gè)自由度的活動(dòng)能力。通過各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自身前后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(wù)提供強(qiáng)有力的保證。”航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)機(jī)械臂控制負(fù)責(zé)人梁常春介紹。
據(jù)悉，為擴(kuò)大任務(wù)觸及范圍，機(jī)械臂還具備“爬行”功能。由于機(jī)械臂采用“肩3+肘1+腕3”的關(guān)節(jié)配置方案，肩部和腕部關(guān)節(jié)配置相同，意味著其兩端活動(dòng)功能一樣。同時(shí)，肩部與腕部各安了一個(gè)末端執(zhí)行器——“作為機(jī)器臂的觸手，末端執(zhí)行器可以對(duì)接艙體表面安裝的目標(biāo)適配器，機(jī)械臂通過末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器對(duì)接與分離，同時(shí)配合各關(guān)節(jié)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在艙體上的爬行轉(zhuǎn)移。”航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)機(jī)械臂主任設(shè)計(jì)師王友漁指出。
空間站機(jī)械臂是我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域之一。在抓總研制過程中，研制團(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵技術(shù)、原材料選用、制造工藝、適應(yīng)空間站環(huán)境的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)等方面均作出了重大突破和創(chuàng)新，全部核心部件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并形成多項(xiàng)國(guó)家空間機(jī)器人行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
艙外維修與輔助工具首次亮相
作為航天員執(zhí)行出艙任務(wù)的“機(jī)械伙伴”——艙外維修與輔助工具在此次出艙活動(dòng)中首次亮相。
“艙外維修與輔助工具可協(xié)助航天員，有效克服在軌著航天服狀態(tài)下手套充壓后操作不便、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著航天服狀態(tài)下開展艙外行走、位姿轉(zhuǎn)換、設(shè)備更換、產(chǎn)品安全防護(hù)等多項(xiàng)功能，是航天員執(zhí)行艙外活動(dòng)必不可少的工具。”航天科技集團(tuán)五院總裝與環(huán)境工程部空間站艙外維修工具負(fù)責(zé)人傅浩介紹。
為確保艙外維修與輔助工具滿足上述應(yīng)用需求，在首次出艙前，航天員就已經(jīng)對(duì)維修工具進(jìn)行了健康狀態(tài)檢查、使用狀態(tài)設(shè)置等。“第一次出艙時(shí)，腳限位器操作臺(tái)、通用把手、電動(dòng)工具這些東西需要提前放到節(jié)點(diǎn)艙，兩套航天服提前做好氣密性檢查，還有相關(guān)的一些準(zhǔn)備工作。”航天科技集團(tuán)五院空間站總體總裝副主任設(shè)計(jì)師刁常堃說(shuō)。
據(jù)航天科技集團(tuán)五院載人航天器在軌維修技術(shù)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人王昊介紹，艙內(nèi)的工具配套大概有幾十種，艙外的也有十幾種。“對(duì)航天員來(lái)說(shuō)，可使用的工具越來(lái)越豐富，所有的動(dòng)作和流程都在總體設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。”
據(jù)悉，艙外維修與輔助工具不僅有用于艙外設(shè)備維修的電動(dòng)工具、扳手、通用把手等，也有各種配合航天員艙外姿態(tài)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換的便攜式腳限位器、艙外操作臺(tái)等。其中，艙外電動(dòng)工具是此次維修任務(wù)用到的唯一一個(gè)機(jī)電類工具，可以適應(yīng)艙外復(fù)雜的真空和高低溫環(huán)境，具有定力矩?cái)Q緊、擰松的工作模式，并且設(shè)置有休眠模式。艙外通用把手可以安裝到維修設(shè)備上，用于航天員在軌維修時(shí)轉(zhuǎn)移待維修設(shè)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、艙外操作臺(tái)及微型工作臺(tái)。“便攜式腳限位器是此次維修任務(wù)中機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)最為復(fù)雜的產(chǎn)品，共設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航4個(gè)關(guān)節(jié)自由度，可協(xié)助航天員在艙外調(diào)整至執(zhí)行任務(wù)的工作姿態(tài);與之配合使用的艙外操作臺(tái)，可幫助航天員在執(zhí)行維修任務(wù)時(shí)掛放設(shè)備和維修工具，從而解放雙手，實(shí)現(xiàn)設(shè)備或維修工具的臨時(shí)存放;便攜式安全帶可以防止航天員在艙外作業(yè)時(shí)位置設(shè)備及維修工具漂移;而與航天服直接相連的微型工作臺(tái)，則像一根多功能腰帶一樣環(huán)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。
航天員出艙后如何與地面聯(lián)系
航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)時(shí)，與地面建立高速及時(shí)的通信聯(lián)系尤為重要。因此，出艙活動(dòng)不僅是對(duì)航天員的全方位考驗(yàn)，也是對(duì)空間站天和核心艙與地面測(cè)控站間通信能力的一大考驗(yàn)。
航天科技集團(tuán)五院研制的第三代中繼終端產(chǎn)品，通過與中繼衛(wèi)星天鏈一號(hào)和天鏈二號(hào)建立中繼鏈路，實(shí)現(xiàn)中繼通信，確保航天員與地面通信的實(shí)時(shí)暢通。“這就好比在太空中搭建地面與中繼衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星與航天員之間的‘天路’。”航天科技集團(tuán)五院西安分院載人航天工程任務(wù)中繼終端研制負(fù)責(zé)人余曉川這樣比喻。
據(jù)余曉川介紹，空間站中繼終端與其他型號(hào)在設(shè)計(jì)上最大的區(qū)別在于，為了保證在軌使用的長(zhǎng)壽命，需要具備在軌可維修性。“空間站中繼終端采用集成化、模塊化的設(shè)計(jì)思路，在保證傳輸信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，也方便航天員維修更換。”
航天員出艙后，還需測(cè)控通信產(chǎn)品提供通信保障。航天科技集團(tuán)五院研制的出艙通信子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外航天員之間、艙內(nèi)外航天員與地面人員之間、艙外航天員之間的全雙工語(yǔ)音通信，在艙外活動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信全覆蓋。“與上一代出艙通信系統(tǒng)相比，該產(chǎn)品具有通信距離更遠(yuǎn)、通信速率更高、工作壽命更長(zhǎng)等特點(diǎn);同時(shí)，由于采用了功率控制、抗多徑等措施，該產(chǎn)品具有更強(qiáng)的空間環(huán)境抗電磁干擾能力，并支持多名航天員同時(shí)出艙活動(dòng)時(shí)的通話功能。”航天科技集團(tuán)五院513所出艙通信子系統(tǒng)產(chǎn)品主管設(shè)計(jì)師劉福平指出。
記者 張 蕾 通訊員 張 宇 王 凱
