機械臂作為空間站的重要組件，是協(xié)同人類完成各種復(fù)雜操作的重要幫手。2022年1月6日，中國空間站機械臂轉(zhuǎn)位貨運飛船試驗取得圓滿成功，這是我國首次利用空間站機械臂操作大型在軌飛行器進(jìn)行轉(zhuǎn)位試驗，驗證了空間站艙段轉(zhuǎn)位技術(shù)和機械臂大負(fù)載操控技術(shù)，為空間站在軌組裝建造積累了經(jīng)驗。今天，我們一起深入了解機械臂在空間站任務(wù)中的重要作用。

艙段輔助轉(zhuǎn)位

機械臂通常由多個關(guān)節(jié)和臂段組成，這些部件具有高強度和輕量化的特性，能在太空環(huán)境中承受重量，減少對航天器的負(fù)荷，其關(guān)節(jié)和臂段通過液壓、電動或氣動執(zhí)行器實現(xiàn)運動，以提供足夠的力量和穩(wěn)定性?？臻g站機械臂有7個自由度和7個關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)類似人類手臂的運動能力，與實驗艙上的小機械臂形成組合臂后，可達(dá)14個自由度，工作起來更加靈活便捷。目前，機械臂沒有配備可以用來抓握物體的機械夾爪或抓手，而是使用一組形象酷似插頭的末端執(zhí)行器進(jìn)行目標(biāo)抓捕。在首次貨運飛船轉(zhuǎn)位試驗中，空間站機械臂正是將末端執(zhí)行器與核心艙艙體表面的目標(biāo)適配器進(jìn)行對接，再爬行至位于節(jié)點艙附近的停泊口后，最終成功捕獲天舟二號的適配器，從而順利完成輔助轉(zhuǎn)位。

空間站機械臂轉(zhuǎn)位貨運飛船試驗

載重與搬運

機械臂具有強大的載重能力和精確的搬運能力，這項基本能力為各類任務(wù)提供了必要的保障?？臻g站核心艙上的大機械臂由兩根臂桿組成，展開長度可達(dá)10.2米，重量約0.74噸，采用了大負(fù)載自重比設(shè)計，負(fù)重能力高達(dá)25噸，可將物體從一個地點移至另一地點，有效配合航天員開展艙外活動、空間站平臺維護及有效載荷運輸?shù)热蝿?wù)。

中國空間站機械臂結(jié)構(gòu)示意動畫

航天員艙外活動支持

機械臂可用于支持航天員進(jìn)行艙外活動，包括在艙外進(jìn)行航天器維護、安裝和維修。在艙外執(zhí)行任務(wù)時，重達(dá)上百公斤的艙外航天服會限制航天員的活動能力。為減少體力消耗，航天員借助機械臂可完成艙外轉(zhuǎn)移，并在微重力環(huán)境中進(jìn)行精確操作。如此一來，便可以極大地減少航天員的工作量。目前，空間站機械臂作為航天員乘組出艙活動的得力助手，配合完成了全景相機抬升、艙外相關(guān)設(shè)備及裝置組裝、核心艙太陽翼修復(fù)試驗等既定任務(wù)，在支持中國航天員出艙活動中發(fā)揮了重要作用。

航天員在機械臂輔助下開展艙外活動

設(shè)備轉(zhuǎn)移、安裝、更換以及艙外維修

機械臂可以代替航天員進(jìn)行設(shè)備安裝及維修更換工作，可以極大地減少航天員出艙作業(yè)的次數(shù)和時間，從而提高航天員在太空中的安全保障。機械臂也可以轉(zhuǎn)運天舟貨運飛船中的貨物。天舟貨運飛船有開放式非加壓貨艙構(gòu)型，機械臂可以協(xié)助航天員轉(zhuǎn)移天舟貨運飛船內(nèi)的貨物。在空間站艙外維修中，機械臂也發(fā)揮了“一臂之力”，它可以作為航天員和大型構(gòu)件的支撐平臺，協(xié)助完成艙外復(fù)雜任務(wù)，有效提高維修效率。2023年12月21日，神舟十七號航天員首次出艙，湯洪波登上機械臂，轉(zhuǎn)移至核心艙太陽翼的相關(guān)作業(yè)點位，進(jìn)行巡檢和修復(fù)作業(yè)。在空間站機械臂和地面科研人員的配合下，神舟十七號乘組對天和核心艙太陽翼的正面和外側(cè)面進(jìn)行觀察、拍照記錄和試驗性修復(fù)等工作。

湯洪波登上機械臂轉(zhuǎn)移至核心艙太陽翼的相關(guān)作業(yè)點位

捕獲懸停航天器

機械臂能夠安全、準(zhǔn)確地捕獲和固定懸停的航天器，為后續(xù)操作、維修或回收提供支持。例如后續(xù)將發(fā)射與空間站組合體共軌飛行的“巡天”光學(xué)艙，在需要對其進(jìn)行維護、部件替換升級等工作時，機械臂便可對其進(jìn)行抓取，使其與空間站進(jìn)行對接，以便航天員對其進(jìn)行檢查、維護。而通過在末端執(zhí)行器上安裝相應(yīng)的任務(wù)模塊（如機械抓手），機械臂也可以抓取太空中的其他航天器。

機械臂捕獲懸停的航天器并協(xié)助其與空間站對接示意圖

艙外狀態(tài)監(jiān)視

要想讓空間站長期在軌穩(wěn)定運行，空間站艙外狀態(tài)監(jiān)視不可或缺。機械臂末端執(zhí)行器配置有光學(xué)相機，可以直接對空間站艙外進(jìn)行成像。得益于機械臂的長度和“爬行”功能，核心艙大機械臂可以實現(xiàn)對空間站艙外大多數(shù)位置的監(jiān)視，從而幫助航天員和地面控制人員直觀準(zhǔn)確地了解空間站各個艙段的外部設(shè)備的狀態(tài)。除了進(jìn)行空間站本身狀態(tài)的監(jiān)測外，機械臂的相機也可以監(jiān)測太空環(huán)境，如空間碎片以及外來航天器等。2023年4月24日，在八個中國航天日到來之際，中國空間站推出獨家直播《天宮之鏡》，小臂肘部相機還從多個角度帶著大家巡游了中國空間站與地球。

機械臂巡檢空間站

小機械臂視角下的蔚藍(lán)星球

空間科學(xué)實驗支持

機械臂也可以提供空間科學(xué)實驗支持，減少航天員出艙次數(shù)和工作量。2023年6月9日-10日，空間站夢天實驗艙空間輻射生物學(xué)暴露實驗裝置經(jīng)由機械臂抓取從貨物氣閘艙出艙，經(jīng)過中轉(zhuǎn)位，順利安裝至既定的艙外暴露平臺，裝置開機工作正常。這是我國首次開展艙外輻射生物學(xué)暴露實驗，對輻射生物學(xué)和空間科學(xué)研究具有里程碑式意義。

空間輻射生物學(xué)暴露實驗裝置出艙準(zhǔn)備工作

載荷出艙

機械臂助力載荷出艙

“一臂之力”

助力空間站平穩(wěn)運行

未來

期待更多精彩