在轨拆卸太阳翼，天宫空间站机械臂太空搭积木，还能捕获航天器

2021-06-18 15:04:12 来源：

导读：

载人航天办公室日前发布消息指出，天宫空间站天和核心舱入轨半个多月以来，先后完成多项平台功能测试，以及空间应用项目设备在轨性能检查，各项功能正常、运行状态良好，已进入交会对接轨道。在众多平台功能测试中机械臂性能测试至关重要，因为它决定了未来十至二十年天宫空间站的运营质量与效率。

天和核心舱发射入轨画面

天宫空间站主机械臂初始安装位置在天和核心舱小柱段对地球一面，因此得名“天和机械臂”。

该型机械臂两根臂杆展开长度10.2米，两根臂杆可联动工作，也可单臂杆工作，同时配套两个末端执行器、一套视觉相机系统、一个总控制器，全重738kg，最大承载能力25吨，可在手动/自动两个工作模式中自由切换。

天和机械臂安装于核心舱小柱段

天和机械臂有7个自由度分别对应7个关节，因此也被称为“七自由度空间机械臂”，位置精度45mm，最大线速度与最大角速度两项指标对比同类机械臂极具优势，综合性能达到了世界领先水平。

那么，天和机械臂具体有哪些功能，又可以胜任哪些工作呢？

天和机械臂

1.舱体表面爬行转移

天和机械臂展开长度10.2米，而天宫空间站仅核心舱长度就有16.6米，更不用说另外两个尺寸更大的实验舱，单纯依靠机械臂自身长度无论如何也不可能面面俱到。

前文提到这是一款七自由度机械臂，同时它采用了“肩部3关节+肘部1关节+腕部3关节”的配置方案，肩部与腕部关节配置相同，意味着机械臂两端活动功能一致。

天和机械臂舱表爬行转移

同时肩部与腕部各有一个末端执行器，末端执行器用于对接舱体表面的适配器，而后者在空间站三大舱段外表面皆有广泛分布配置。在机械臂末端执行器与舱体表面适配器的对接与分离的过程中天和机械臂因此具备了舱体表面爬行功能。

天和机械臂由小柱段转移至大柱段

2.与实验舱机械臂组合，实现空间站外表面全触达

天和机械臂与问天机械臂组合

除天和机械臂外，问天号实验舱也配置有一部展开长度5米的小型机械臂，两者可对接组合成形成长度超15米的超长机械臂，并基于天和机械臂舱体爬行功能，进而实现空间站外表面的全触达。

双臂组合对接地面试验

3.舱外状态监视与舱表状态检查

天宫空间站外表面配置了诸多功能载荷，还有外挂于舱表的暴露实验载荷。同时运行于近地轨道的空间站还面临着空间碎片撞击风险，空间辐照对舱体表面的影响也很大。

舱外状态监视

尤其是空间碎片撞击或者舱内气体泄漏导致的失压问题最为突出，比如国际空间站就经常饱受此类问题的折磨。

舱表状态检查

天和机械臂有一套视觉监视系统，肩部、腕部、肘部各有1台视觉相机，其中肩部与腕部视觉相机是舱外状态监视与舱表状态检查的主要设备。

4.辅助航天员出舱活动

神舟七号载人飞船乘组指令长翟志刚与协助员刘伯明曾共同实施我国首次太空出舱行走任务，距今已有将近十三年时间，而接下来进入天宫空间站的航天员将经常性执行太空出舱行走任务。

机械臂辅助航天员出舱活动

天舟二号作为天宫空间站工程首次货运飞船任务携带了舱外航天服，下个月发射的神舟12号载人飞船乘组也将实施出舱行走，执行舱外状态设置任务。

天舟二号携带的舱外航天服

天宫空间站不同于神舟七号，前者的组合体规模更大，出舱作业量大，难度也更大。航天员出舱行走时间通常最长6小时，空间站外表面也广泛分布着服务航天员出舱活动的手柄装置，但这仅限于小范围的太空行走活动，如果要大范围转移就需要机械臂辅助，否则出舱任务执行效率将大大降低。

5.转位实验舱，开展空间站在轨建造任务

天宫空间站工程分为“关键技术验证”、“在轨建造”、“常态运营”三大阶段，今年是关键技术验证阶段任务，而明年则是在轨建造阶段的决胜年，届时问天实验舱与梦天实验舱将与天和核心舱组成T字构型空间组合体，进而完成空间站建造任务。

天宫空间站主体呈T字构型

问天与梦天两个实验舱受限于组合体姿态控制问题无法直接与核心舱侧向停泊口对接，而是要先分别与核心舱前向对接口对接，尔后由前向对接口转位至侧向停泊口，为了完成这一任务我们准备了两个互为备份的转位手段。

转位机械臂

首先两个实验舱各自配置有结构简单操控精度高的“转位机械臂”，这是实验舱转位对接的主要手段。与此同时，核心舱“天和机械臂”也具备承载25吨级舱段实施转位对接的能力，操控精度略逊于“转位机械臂”，但仍能满足对接要求，此为实验舱转位对接的备份手段。

天和机械臂转位实验舱

天舟二号货运飞船在任务末期就将验证天和机械臂辅助转位对接的工程能力，为明年的在轨建造做好万全准备。

6.捕获悬停航天器，辅助对接

神舟载人飞船、天舟货运飞船都具备自主交会对接能力，这既是优势也是劣势，优势是不依赖外部机构自主全向对接，劣势就是要为对接机构付出更多的生产制造与发射成本，进入空间站运营阶段后降本增效将是一个重要课题。

监视来访航天器

为此我们将研究基于简易方案的空间站交会对接技术，此类航天器将简化对接机构，并依托天和机械臂进行辅助对接。

捕获悬停航天器

当来访航天器接近空间站组合体时，机械臂末端相机可对其进行位置姿态测量，当目标进入机械臂捕获范围时末端执行器与目标适配器对接实施捕获，尔后辅助来访航天器对接。

7.转移货运飞船载荷

天舟货运飞船的三种构型

简而言之就是搬货，以天舟为例，该型货运飞船有全密封、半开放、全开放三种标准构型，其中半开放与全开放两种构型都可以承运舱外载荷，与空间站对接后将由机械臂抓取搬运。

转移货运飞船载荷

8.辅助航天员转移核心舱太阳翼

天宫空间站完成T字形构型建造任务后两个实验舱的大型柔性太阳翼将对核心舱太阳翼形成光照遮挡，从而削弱核心舱太阳翼发供电能力。

天和核心舱太阳翼

核心舱太阳翼早在设计之初就考虑到了这个问题，为此项目团队设计了“在轨能源拓展功能”，核心舱发射入轨太阳翼一次展开后可再次收拢，并由航天员与机械臂联合操作与核心舱本体分离，随后将其转移至问天实验舱与梦天实验舱短桁架轴向安装接口，从而彻底解决由光照遮挡产生的电力供应能力下降的问题，为天宫空间站后续舱段拓展任务奠定了基础。