升級版加拿大機(jī)械臂

□ 賀棚梓

加拿大航天工業(yè)有一項(xiàng)獨(dú)門秘技，就是研制太空機(jī)械臂。從航天飛機(jī)到國際空間站，加拿大研制的機(jī)械臂為人類的太空活動立下了汗馬功勞。

制造這些機(jī)械臂的，是一家名叫“麥克唐納?特拉華與聯(lián)合會有限公司”的企業(yè)，不過很少有人用這么拗口的全名稱呼它，而是直呼它大名鼎鼎的簡稱——MDA公司。眼下，MDA公司正在為加拿大航天局研制最新一代機(jī)械臂，稱為“下一代加拿大機(jī)械臂”，簡稱NGC。

MDA公司為航天飛機(jī)所提供的是第一代機(jī)械臂，而工作在國際空間站上的是第二代機(jī)械臂“德克斯特”。我們經(jīng)常可以看到“德克斯特”抓住貨運(yùn)飛船，把它安裝到對接口上的照片。實(shí)際上，“德克斯特”在空間站建設(shè)期間也發(fā)揮了很大作用。

那么NGC又是為誰服務(wù)的呢？其實(shí)，NGC在很大程度上是2008年金融危機(jī)的產(chǎn)物。

NGC的立項(xiàng)

2007年11月，14個國家的航天局簽署了全球探索戰(zhàn)略框架協(xié)議。需要指出的是，中國雖然也是簽約國之一，在實(shí)際成立全球空間探索協(xié)作組的時候，卻被美國運(yùn)用影響力排除在外。加拿大根據(jù)這個協(xié)作組的工作框架，制定了自己的戰(zhàn)略探索計劃，進(jìn)而建立了“探索核心計劃”。

在研究全球探索戰(zhàn)略之后，加拿大具體提出了自己具有專長的8個領(lǐng)域，分別是先進(jìn)漫游車和自主電動車輛、用于科考和當(dāng)?shù)刭Y源利用的先進(jìn)挖掘與鉆探技術(shù)、用于在軌和著陸操作以及表面導(dǎo)航和科學(xué)的動態(tài)影像技術(shù)、機(jī)器人操縱與先進(jìn)工具、行星表面設(shè)施與設(shè)備間的通信技術(shù)、長期太空飛行的生命支持技術(shù)、長期任務(wù)期間保持航天員健康與福利的醫(yī)療系統(tǒng)、部分行星科學(xué)、生命科學(xué)與天文學(xué)的科學(xué)設(shè)備、支持載人飛行的地面控制設(shè)備。

針對這些領(lǐng)域，加拿大航天局很快提出了探索核心計劃的三大行動，首先是明確需求，其中包括數(shù)據(jù)分析和概念研究；然后是基礎(chǔ)設(shè)施建造與部署，包括模擬試驗(yàn)場、實(shí)驗(yàn)室與總裝設(shè)施、運(yùn)行中心；最后是樣機(jī)研制和地面模擬任務(wù)部署，其中包括科學(xué)設(shè)備的研制。當(dāng)時的計劃中還沒有考慮NGC的研制。在此期間，加拿大航天局獲得了一些與月球車乃至火星車相關(guān)的合同，研制內(nèi)容包括導(dǎo)航設(shè)備、態(tài)勢感知設(shè)備等，尤其是獲得了歐空局的火星探測計劃里火星車上的當(dāng)?shù)刭Y源利用移動平臺模擬任務(wù)合同。

加拿大航天員克里斯·哈德菲爾德參觀新一代加拿大機(jī)械臂

可以用于衛(wèi)星在軌修理的小加拿大機(jī)械臂

但是2008年金融危機(jī)的爆發(fā)，促使西方各國政府紛紛出臺自己的經(jīng)濟(jì)刺激計劃。2009年，加拿大政府的經(jīng)濟(jì)刺激計劃向加拿大航天局增加提供1100萬美元經(jīng)費(fèi)，在探索核心計劃框架下啟動兩個新的項(xiàng)目，一個是探索表面機(jī)動能力。探索表面機(jī)動能力項(xiàng)目要求研制月球漫游車和火星漫游車各一臺，并研制攝像機(jī)、機(jī)械手、鉆探工具等設(shè)備，并實(shí)施模擬人物。這個項(xiàng)目我們?nèi)蘸笤俦怼＿€有一個項(xiàng)目就是NGC

伸展長度15米的新一代加拿大機(jī)械臂

為測試新一代加拿大機(jī)械臂，加拿大航天局設(shè)計建造了所謂的半自主交會對接裝置

用于測試新一代加拿大機(jī)械臂的虛擬操縱裝置

用于模擬接近操作的設(shè)備，可以用來試驗(yàn)新一代加拿大機(jī)械臂

加拿大機(jī)械臂2號捕獲美國的“龍”飛船

NGC的組成

現(xiàn)在來看看NGC的主要內(nèi)容。

NGC由4臺原型機(jī)和1個任務(wù)控制站組成。主臂的長度為15米，用于裝備未來的較小型航天器。副臂長2.5米，配備有一套復(fù)雜的工具，可以用來在軌維修衛(wèi)星。

一個用來模擬交會動作的試驗(yàn)臺，可以模擬兩個航天器在空間的接近動作。

衛(wèi)星對接設(shè)施，用來試驗(yàn)兩個航天器最終對接到一起的操作。

一個用來遙控操作NGC各系統(tǒng)的任務(wù)控制站。

我們先來看15米長的主臂，它可以折疊起來，用“未來的較小型航天器”運(yùn)輸。加拿大航天局并沒有在此指出這種“未來的較小型航天器”的名字，但在此前的報道中，NGC的首選搭載平臺就是美國在研的“獵戶座”飛船。主臂也是NGC組成部分中體積最大的。它伸展開以后，和加拿大臂二號一樣長，但更輕一些，折疊起來的尺寸也更小。主臂采用伸縮式臂節(jié)，完全折疊后可以存放在一個不超過5立方米的空間里，差不多是一輛微型轎車的大小。它有6個自由度，可以用來執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，例如抓住大型航天器并與之對接，然后補(bǔ)充燃料。

2.5米小型機(jī)械臂的實(shí)際伸展長度是2.58米，與國際空間站使用的“德克斯特”機(jī)械臂近似。加拿大航天員克里斯?哈德菲爾德曾經(jīng)在參觀MDA公司時見到了這個小型機(jī)械臂。

實(shí)驗(yàn)平臺則采用了小型、輕質(zhì)、靈巧的機(jī)器人設(shè)計，采用先進(jìn)的點(diǎn)子、軟件和控制系統(tǒng)，可以給在軌衛(wèi)星補(bǔ)充燃料，也可以在軌更換一些失效零件。例如，移除和安裝一些零件，移除衛(wèi)星的防護(hù)膜，切割電線，開關(guān)燃料閥，在服務(wù)航天器和被服務(wù)航天器之間轉(zhuǎn)移燃料。當(dāng)然，如果要移除和安裝零件，這些零件必須設(shè)計成在軌可更換單元。

模擬交會的試驗(yàn)臺由兩臺工業(yè)級機(jī)器人系統(tǒng)組成，可以模擬兩個在軌飛行器小心翼翼靠近的過程。在航天器對接過程中，最后幾米距離是非常驚險的。為了模擬這種過程，試驗(yàn)臺可以真實(shí)地模擬實(shí)際尺寸航天器，包括真實(shí)的照明條件和攝像機(jī)視野。

兩個航天器接近的過程中，服務(wù)航天器上的機(jī)械臂可以抓住被服務(wù)航天器，使兩者對接，并開展維修工作。當(dāng)然，操作員也可以控制服務(wù)航天器直接與被服務(wù)航天器對接而不借助機(jī)械臂。

NGC項(xiàng)目中也包括了一個稱作半自主對接系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)施。可以模擬兩個航天器對接的各個步驟。當(dāng)兩個航天器接近的時候，此系統(tǒng)可以接管控制權(quán)，引導(dǎo)其中一個航天器實(shí)施一系列機(jī)器人操作，直至兩個航天器最終對接。

上面所說的四個部分都要靠任務(wù)運(yùn)行站來控制。

加拿大負(fù)責(zé)NGC的官員卡隆說，我們已經(jīng)有一種新的機(jī)械臂了，我們現(xiàn)在需要一次任務(wù)

推測NGC的未來

應(yīng)該說，NGC的立項(xiàng)，是西方載人航天活動數(shù)十年積累的產(chǎn)物。沒有從航天飛機(jī)到國際空間站的投入和實(shí)踐，是不可能催生NGC的。但隨著載人航天活動陷入迷茫，國際空間站將在2020年到壽，后續(xù)的經(jīng)費(fèi)和任務(wù)仍在討論中；而美國的下一個載人航天飛行目的地一直在反復(fù)搖擺。依附于載人航天而存在的加拿大機(jī)械臂技術(shù)將何去何從？

MDA公司為此提出的對策，是把NGC作為未來在軌服務(wù)的一部分。我們在前文中已經(jīng)指出，NGC可以用來實(shí)施衛(wèi)星維修、在軌燃料補(bǔ)給等任務(wù)。這是近年來國際航天界熱烈討論的話題，而MDA公司借助NGC，已經(jīng)走在了前面。