機器人上演太空加油秀

□ 陳 杰 陳 菲

2013年1月14日～25日，美國航宇局（NASA）和加拿大航天局在國際空間站上成功完成了“機器人燃料加注任務”（RRM）技術演示驗證的第三項重要試驗，即在軌加注模擬乙醇燃料。這是NASA繼2012年3月和6月先后完成開啟RRM工具啟動鎖切割衛星鎖線和拆除模擬衛星冷卻劑氣體設備試驗之后，在RRM中取得的又一重要進展，標志著美國在機器人燃料加注技術方面獲得了新的突破。

在太空表演的明星們

用于RRM技術演示驗證的試驗設備主要由兩個部分組成，即RRM模塊和專用靈巧機械臂。

RRM模塊質量約250千克，呈立方體形狀，長、寬、高的尺寸分別為1.14米×0.84米×1.09米。RRM內部裝有四種專用工具和存放于貯液器中用于驗證在軌流體傳輸的1.7升模擬乙醇燃料。RRM模塊上還裝有用于試驗的模擬衛星隔熱氈、安全螺栓和螺帽、燃料閥門等試驗部件，其中燃料閥門與RRM流體傳輸系統相連。

四種RRM專用工具安放在RRM模塊內部，每種工具的質量約為7.5千克。第一種稱為鎖線切割器和隔熱氈處理工具，該工具用于切割模擬衛星鎖線和隔熱氈，并可移動和處理易損的隔熱氈。第二種稱為多功能工具，可以開啟其他工具氣動鎖、拆除燃料閥門螺帽、將拆除的螺帽放入RRM模塊中以及拆除冷卻劑氣體設備等。第三種稱為安全螺栓工具，利用該工具可以拆除、安裝燃料閥的安全螺栓并對閥門進行密封。第四種稱為連接管工具，該工具可與模擬衛星燃料閥連接，開啟和關閉燃料閥門，完成模擬乙醇燃料的傳輸。傳輸結束后，該工具會在模擬衛星燃料閥上安裝“快速開啟斷開”裝置，以便將來再次進行燃料加注。

這四種專用工具都配有發光二極管攝像機，能夠確保地面控制人員監視實際的操作情況。四種專用工具均由NASA戈達德航天飛行中心研制。

安裝在國際空間站外部的RRM模塊

RRM連接管工具

RRM多功能工具

RRM鎖線切割器和隔熱氈處理工具

“專用靈巧機械臂”和“移動遙控服務基座”以及“遙控操縱系統”組成國際空間站的雙臂機器人系統，該機器人系統是加拿大航天局參與國際空間站的主要項目。其中“專用機械臂”承擔了本次演示驗證任務，該機械臂及地面控制設備均由加拿大麥克唐納·德克威勒公司負責制造，于2008年3月16日安裝到國際空間站上，“專用靈巧機械臂”長約3.35米，質量1560千克，操作十分靈活，共有15個自由度。擁有拆裝600千克質量物體的能力，其平均功耗和峰值功耗分別為600瓦和2000瓦，機械臂末端有執行機構，能利用4種RRM專用工具完成演示驗證所需的各種操作。

在軌加注全程大放送

2013年1月14日～25日，NASA和加拿大航天局利用安裝在國際空間站外部的RRM模塊工具和“專用靈巧機械臂”完成了向模擬衛星加注乙醇燃料的試驗。其試驗過程按時間段劃分為六個階段。

第一階段（14日7時～15日3時）：專用靈巧機械臂抓取RRM鎖線切割器工具并將其從RRM工具箱中取出；利用該工具切割模擬衛星燃料閥門螺帽鎖線；專用靈巧機械臂抓取RRM工具箱中的多功能工具，將模擬衛星燃料閥門上的螺帽拆除。

第二階段（14日13時～16日8時）：專用靈巧機械臂利用RRM多功能工具將拆卸下來的螺帽及螺帽適配器安放在RRM工具箱的適合位置；專用靈巧機械臂再次使用鎖線切割工具切割安全螺母鎖線；完成上述操作后，專用靈巧機械臂將鎖線切割工具和多功能工具放回RRM工具箱。

第三階段（17日13時～18日8時）：專用靈巧機械臂從RRM工具箱中抓取RRM安全螺帽工具；對工具性能進行檢測。

第四階段（22日12時～23日6時）：專用靈巧機械臂利用RRM安全螺帽工具拆除模擬衛星燃料閥門上的保護螺帽；將安全螺帽工具放回RRM工具箱。

第五階段（23日11時～24日6時）：專用靈巧機械臂從RRM工具箱中抓取連接管工具，RRM項目團隊對該工具性能進行檢測；將該工具移動至RRM模塊外部模擬衛星燃料閥處，該燃料閥稱為“鉛垂注入/排出閥”；加注準備工作完成。

與RRM多功能工具配合使用的適配器

RRM安全螺栓工具

連接管工具穿入RRM外部模擬衛星燃料閥進行加注

第六階段（24日15時～25日3時）：連接管工具穿入RRM外部模擬衛星燃料閥即“鉛垂注入/排出閥”；位于NASA馬歇爾太空飛行中心的操作者向RRM發送精確命令序列啟動RRM，RRM通過其流體傳輸系統和附屬燃料閥將液態乙醇傳輸進入連接管工具，隨后再傳輸回到RRM模塊的貯液器中；流體傳輸完成后，連接管工具使用創新性技術與“鉛垂注入/排出閥”斷開，即連接管工具將其自身的一部分即“快速開啟斷開”裝置留在“鉛垂注入/排出閥”上，為未來的燃料加注連接創造條件；專用靈巧機械臂把連接管工具放回RRM工具箱中，并安裝好穩定裝置；本次RRM模擬燃料加注演示驗證結束。整個燃料傳輸過程按計劃進行，其中有一小部分乙醇和預期的一樣噴濺出來，但并不影響試驗結果。

NASA稱，通過本次試驗，驗證了配備有精密工具、采用新型燃料傳輸系統以及精心設計程序的機器人遙控技術。證明“不具備專門在軌燃料加注接口”的衛星是可以進行燃料加注的。

機器人的太空表現

RRM技術演示驗證是NASA和加拿大航天局的聯合演示驗證項目，主要任務是利用安裝在國際空間站外部平臺上的RRM模塊和空間站上的加拿大“專用靈巧機械臂”，演示驗證燃料在軌加注技術及相關航天器在軌服務技術。與美國開展過的在軌加注技術驗證不同，RRM驗證的技術用于不具備專門在軌燃料加注接口的衛星，此前進行的技術驗證在接受燃料加注的目標星上預先設置了加注接口。由于這種原因，使RRM與之前的驗證相比，在燃料加注操作上更加復雜，但驗證的加注技術具有更廣泛的使用性。

NASA將RRM整個演示驗證劃分成六個部分即完成六項重要試驗。

第一項試驗（2011年9月6日～9月7日）：開啟了“燃料加注工具（即RRM工具）”啟動鎖，確保專用靈巧機械臂能夠利用RRM工具完成在軌加注演示驗證所需的操作。啟動鎖是保證RRM工具在運往國際空間站期間保持緊固狀態的裝置。

第二項試驗（2012年3月7日～6月22日）：第二項試驗分為兩步，3月7日～9日完成了第一步即利用專用靈巧機械臂從RRM模塊內部取出一種RRM專用工具——鎖線切割器，成功切斷了模擬衛星上兩條直徑為0.5毫米的極細鎖線，證明利用機器人技術和工具能夠在空間進行精細的切割操作。6月19日～22日完成了第二步即利用專用靈巧機械臂抓取RRM工具箱中的另一種專用工具——多功能工具，拆除了模擬衛星的冷卻劑氣體設備。

第三項試驗（2013年1月14日～1月25日）：即向模擬衛星加注模擬乙醇燃料的試驗。

按NASA的計劃，在2014年3月之前還將完成另外三項試驗即第四項切割、處理模擬衛星隔熱氈；第五項拆除模擬衛星燃料閥緊固螺栓；第六項拆除電氣安全螺帽。這三項試驗的具體日期尚未確定。總體上，NASA已經完成了RRM技術演示驗證六項試驗任務中的前三項。

NASA的RRM旨在驗證在軌燃料加注和相關航天器在軌服務技術。期望以此拓展航天器在軌工作壽命，降低全壽命周期成本，提高執行任務的靈活性。由于具有巨大的應用潛力，因此在軌加注和在軌服務技術受到美國軍方、NASA和工業界的重視。

國際空間站上的雙臂機器人

專用靈巧機械臂抓取RRM鎖線切割器工具，準備切割模擬衛星燃料閥門螺帽鎖線

NASA于1月完成的乙醇模擬燃料加注試驗是“史無前例”的。雖然是作為RRM的第三項試驗，但其持續12天的試驗過程囊括了RRM已經完成的兩項試驗內容，即鎖線切割和移除燃料閥安全螺帽兩項操作。而且本次試驗在模擬衛星燃料閥上安裝了“快速開啟和斷開”裝置，為下一次燃料加注創造了條件。可以說本次試驗的過程是一個較為完整的為“沒有專門燃料加注接口”的衛星進行燃料加注的過程，是RRM演示驗證的核心部分。目前，NASA戈達德太空飛行中心衛星服務能力辦公室正在評估本次試驗獲得數據。這不僅證明了為“沒有專門燃料加注接口”的衛星進行在軌燃料加注的可行性，更是美國在軌加注技術取得了突破性進展的重要標志。

還有更精彩的嗎？

在航天器在軌加注和在軌服務技術領域，美國軍民兩方面采取了多種技術途徑。美國軍方于2007年開展了軌道快車項目的在軌演示驗證，成功的在兩個有專用加注接口的航天器之間進行了肼推進劑的傳輸操作。目前NASA進行的RRM技術驗證針對沒有專門燃料接口的航天器，其操作更加復雜，技術難度與軌道快車相比要大得多。不僅如此，美國軍方還在2011年提出了“鳳凰”計劃，目的是通過安裝功能模塊、切割衛星天線等一系列在軌操作實現廢棄衛星上可用零部件的重復使用。值得指出的是“鳳凰”計劃是在軍方之前的軌道項目、前端機器人近期演示驗證項目基礎上發展起來的。總體來看，美國的發展方式是先易后難、循序漸進，較好地遵循了科學技術發展的客觀規律。

在軌加注特別是針對沒有專用加注接口的航天器進行在軌加注是一項復雜性很高的技術，需要進行長期的技術積累。雖然NASA在這方面取得了顯著進展，但距離實際應用還有比較大的距離。首先本次試驗是在空間站上進行的，接受燃料加注的模擬衛星固定在空間站外部，提供燃料加注的機械臂也固定在空間站上，這為實施技術驗證提供了很大便利。該項技術要真正投入實際應用為在軌運行的衛星實施在軌加注，需要解決與目標星之間的位置保持問題，以及如何切割目標星的隔熱氈而不對星體造成破壞等。從“固定靶”到“移動靶”還有很長的路要走。

在地面操縱機器人進行模擬加注試驗

工作人員對RRM模塊進行出廠前的檢測