太空行走１００問（六）

太空行走設備

36 在國際空間站組裝過程中，航天員需要進行大量的出艙活動，為完成國際空間站的組裝，需要提供哪些設備?

在國際空間站的組裝過程中，航天員需要進行大量的出艙活動，但是僅靠航天員的雙手是不能完成組裝任務的，因為國際空間站的站艙和結構件都非常巨大而笨重，但安裝精度又要求非常高，因此必須給他們提供各種工具和設備。美國航宇局為國際空間站組裝而提供的設備主要是：簡易出艙活動救生輔助裝置；遙控機械臂和腳固定器。簡易出艙活動救生輔助裝置既是組裝國際空間站用的一種設備，又是航天員的一種救生裝置，因此它既屬于機動裝置的范疇，又屬于出艙活動設備的內容。

37 目前在太空共有多少臺遙控機械臂?這些遙控機械臂在結構上各有何特點?它們在太空實際使用過程中發揮了什么作用?

目前在太空的遙控機械臂共有五臺：航天飛機的遙控機械臂、國際空間站的機動服務系統、日本實驗艙的遙控機械臂、歐空局的遙控機械臂和蘇聯的機械臂。

(1)航天飛機遙控機械臂

航天飛機的遙控機械臂是這幾臺遙控機械臂中最成功、使用最多和最可靠的一臺，1981年11月在航天飛機STS-2飛行中首次使用，主要用于從航天飛機軌道飛行器的貨艙中將有效載荷“吊取”出來，部署到太空指定位置；也可以將在太空自由飛行的有效載荷“抓住”，放進航天飛機的貨艙內。在哥倫比亞號航天飛機發生事故以后，美國航宇局在遙控機械臂上又安裝了一個吊桿傳感器系統，用于對航天飛機的腹部進行檢查，主要是查看防熱瓦的損壞情況。

航天飛機遙控機械臂長15.2米，直徑38厘米，重450千克，能做6個自由度的運動。這臺機械臂上有6個與人的手臂相似的關節：肩部有上下運動和左右運動關節；肘部有上下運動關節；腕部有上下、左右和旋轉運動關節。在腕部的末端有一個像手功能一樣的效應器，能夠抓獲有效載荷。機械臂也分成兩部分：上臂和下臂。上臂與肩關節和肘關節相連、下臂與肘關節和腕關節相連。遙控機械臂能處理重達29噸的有效載荷，能完成衛星的回收、部署和維修任務，能將太空行走的航天員送到較遠的工作位置，通過臂上安裝的電視攝像機，艙內航天員能夠對航天飛機的外部和有效載荷的外表進行查看。這臺遙控機械臂一般由2名航天員操作，一名航天員坐在航天飛機飛行甲板后部的控制室內操縱機械臂，另一名航天員協助他，主要是控制電視攝像機。坐在飛行甲板后部控制室內的航天員能夠通過閉路電視和控制室上部的舷窗觀看機械臂的操作和運動。如果要用遙控機械臂協助航天員太空行走，在機械臂末端要安裝上腳固定器，以便航天員站在上面。機械臂將航天員運送到指定的工作位置，因為航天員的雙腳是固定的，因此可以用兩手進行操作，當然腰部還要系上安全帶。

從1981年以來，航天飛機遙控機械臂在衛星部署、回收和維修任務中，特別是在后來的國際空間站的組裝任務中，發揮了非常重要的作用。

(2)國際空間站機動服務系統

國際空間站機動服務系統是國際空間站的一個重要設備，在組裝和維修國際空間站中發揮著重要作用。該設備主要用于在國際空間站周圍移動大型結構件、支持航天員的太空行走、為國際空間站上的儀器設備提供服務等。該系統由國際空間站遙控機械臂、可機動遙服務基地和專用靈巧機械手三部分組成，屬于航天飛機遙控機械臂的第二代產品，比第一代設計得更大、更好、更靈巧，于2001年4月由航天飛機STS－100運送到國際空間站上。該系統完全伸展開時長17.6米，直徑35厘米，有7個關節，質量1800千克，可移動116000千克的大型有效載荷。該系統還能沿著國際空間站的桁架移動，因此可以到達國際空間站的任何地方。由于有7個關節，遙控機械臂可以旋轉540°，遠遠超過人體手臂的旋轉能力?？蓹C動遙服務基地是一個能沿著國際空間站長軸軌道移動的工作平臺，體積為5.7米×4.5米×2.9米，質量1450千克，能移動和處理20900千克的有效載荷，于2002年6月送到國際空間站上。專用靈巧機械手由兩只小臂、照明燈、電視攝像機、工具盒和4個工具夾具組成。

(3)歐空局的遙控機械臂

歐空局的遙控機械臂是安裝在國際空間站俄羅斯站艙上的一臺設備，最大特點是能圍繞國際空間站自動移動，它可以由人控制，也可以自控或半自控，其主要功能是安裝太陽電池板、更換太陽電池板、對國際空間站進行檢測、處理有效載荷和支持航天員的太空行走。歐空局的機械臂比國際空間站的機械臂小、耗能低、沒有機械手，是國際空間站遙控機械臂的補充，能完成國際空間站遙控機械臂不能完成的任務。該設備可以由航天員在國際空間站艙內控制，也可以通過太空行走在艙外控制。該設備長11.3米，質量630千克，能處理的最大有效載荷8000千克，最大移動速度每秒0.1米，定位精度5毫米。

(4)日本實驗艙的遙控機械臂

這是安裝在國際空間站日本實驗艙的加壓艙上的一臺設備，主要用于完成日本實驗艙內的一些任務和對實驗艙進行維修和保養。為建造這臺遙控機械臂系統，日本宇航局曾進行過大量的前期準備：1997年8月，在發現號航天飛機STS-85的飛行中進行過機械臂的飛行演示；1997年11月，又用工程試驗衛星-7號進行測試，因而在開始正式設計之前，已經積累了大量的技術數據和設計經驗。日本的機械臂由兩只臂組成：主臂(長10米)和小臂(長2米)，能夠移動7噸的有效載荷。主臂的末端連接著小臂，每只臂上有6關節，可以像人的手臂一樣活動。對機械臂的操縱是由在加壓艙內的航天員來完成，臂的末端有攝像機，加壓艙內有閉路電視。日本遙控機械臂的使用壽命是10年，如果發生故障航天員可以通過太空行走進行維修。

(5)蘇聯的機械臂

蘇聯的機械臂實際上就是一臺簡單的起重裝置，在上世紀90年代蘇聯在和平號空間站上安裝了兩臺起重裝置。這種起重裝置長14米，重45千克，安裝在空間站核心艙的兩邊，每臺裝置能起吊700千克的有效載荷，航天員在核心艙內對起重裝置進行操縱和控制。

38 在出艙活動中為什么要對航天員的身體進行限制或固定?航天員出艙活動是不是都要使用腳固定器?

在出艙活動中，在工作站上對艙外航天員作適當的限制或固定是非常必要的。在艙外工作站上應提供人員和設備的固定裝置，以最大限度提高艙外航天員的工作能力。不能提供適當固定是航天員太空行走失敗的主要原因。不良的固定裝置不僅會影響航天員太空行走任務的完成，而且使航天員事倍功半、容易疲勞、增加生保系統的工作負荷，甚至不得不提前結束出艙活動。不良的固定裝置也容易損壞出艙活動設備。熟練使用固定裝置是航天員出艙活動訓練的主要內容。

不同的工作站應使用什么樣的固定裝置應根據出艙任務而定。對于短期出艙任務，體力勞動強度又不太大，如完成設備儀器的檢測和小修工作，使用安全帶和扶手即可，完全不必要使用腳固定器；但在艙外長時間進行中等強度體力勞動或重體力勞動的航天員，就必需使用腳固定器。

39 在航天飛機和國際空間站上有幾種腳固定器?美國航宇局對腳固定器的設計有何要求?

在航天飛機和國際空間站上共有兩種腳固定器：便攜式腳固定器和遙控機械臂上的專用腳固定器。便攜式腳固定器用鋁合金制成，重3.8千克，固定腳的踏板部分長40.49厘米、寬52.07厘米。腳踏板的傾斜度可以調節，一般向下傾斜20～30度比較舒適。遙控機械臂上的專用腳固定器和便攜式腳固定器差不多，它是專門安裝在航天飛機遙控機械臂的末端上，可以支托著航天員到距離比較遠的工作位置完成任務。

美國航宇局對腳固定器的設計要求是：①穿著航天鞋也能方便地從腳固定器中進去或出來；②腳固定器應適合各種尺寸的航天鞋使用；③穿著航天鞋的腳不可以無意中從固定器中拔出來；④在應急情況下航天員的腳應能迅速從固定器中拔出來；⑤腳踏板的傾斜度可以根據航天員的工作姿態進行調節；⑥腳固定器必需用金屬制成，金屬材料應符合美國航宇局的有關標準。