雙首次！中國(guó)空間站新年開(kāi)展新試驗(yàn)

文/蘭順正

2022年1月6日，中國(guó)天宮空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位貨運(yùn)飛船試驗(yàn)順利完成；1月8日上午，神舟十三號(hào)飛船航天員乘組在地面科技人員的密切協(xié)同下，在空間站核心艙內(nèi)采取手控遙操作方式，圓滿完成了天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站組合體交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。以上兩次試驗(yàn)都屬中國(guó)首次，對(duì)于今后中國(guó)空間站的運(yùn)營(yíng)以及太空事業(yè)的發(fā)展都有著重大意義。

太空中的“大力士”

▲ 天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船在機(jī)械臂拖動(dòng)下進(jìn)行平面轉(zhuǎn)位

空間站機(jī)械臂本質(zhì)上就是智能機(jī)器人，具備精確操作能力和視覺(jué)識(shí)別能力。對(duì)于空間站而言，機(jī)械臂是非常重要的設(shè)備，不僅可以用來(lái)輔助航天員進(jìn)行一些艙外作業(yè)（例如設(shè)備安裝和維修等），還可以通過(guò)艙內(nèi)遙控的方式獨(dú)立工作。而通過(guò)機(jī)械臂系統(tǒng)對(duì)懸停航天器進(jìn)行捕獲，空間站與其他航天器對(duì)接的難度可以在一定程度上降低，還能調(diào)節(jié)飛船所使用的對(duì)接艙口，發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，目前天宮空間站與國(guó)際空間站上都可以看到機(jī)械臂的身影。

天宮空間站裝備的機(jī)械臂由中國(guó)自主研發(fā)，凝聚了科研人員大量心血。以此次參與試驗(yàn)的天宮空間站主機(jī)械臂為例，長(zhǎng)約10米，質(zhì)量738千克，承載能力25噸，即能夠安全地對(duì)重達(dá)25噸的飛船進(jìn)行轉(zhuǎn)移，其負(fù)載自重比、操控精度等指標(biāo)均達(dá)到世界領(lǐng)先水平，且全部核心部件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，可靠性高。據(jù)悉，其電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了上億驗(yàn)證測(cè)試。

▲ 天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與天和核心艙解鎖分離

▲ 天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與天和核心艙重新對(duì)接并完成鎖緊

這款機(jī)械臂肩部有3個(gè)關(guān)節(jié)，能執(zhí)行俯仰、偏航、回轉(zhuǎn)操作，2個(gè)臂桿之間的肘部還有1個(gè)俯仰關(guān)節(jié)，機(jī)械臂末端腕部又配置3個(gè)關(guān)節(jié)，功能與肩部的3個(gè)關(guān)節(jié)一樣。這樣一來(lái)，該機(jī)械臂和人類手臂一樣，擁有7個(gè)自由度，在太空中進(jìn)行作業(yè)時(shí)非常靈活，甚至可以頭尾互換。

與國(guó)際空間站的加拿大機(jī)械臂類似，天宮空間站主機(jī)械臂首尾兩端各有1個(gè)末端執(zhí)行器，而肩部末端執(zhí)行器、腕部末端執(zhí)行器都可以通過(guò)目標(biāo)適配器實(shí)現(xiàn)與艙體的對(duì)接、分離，進(jìn)而在空間站艙體外表面進(jìn)行“爬行”，靈活變換部署位置，以適配不同的任務(wù)。

相比于國(guó)際空間站，中國(guó)空間站在設(shè)計(jì)上為機(jī)械臂預(yù)留了足夠的接口，可以在最大程度上發(fā)揮出機(jī)械臂的“爬行”效果。另外，為了增強(qiáng)環(huán)境信息感知能力，核心艙機(jī)械臂在肩部、肘部、腕部3處位置各配置1臺(tái)視覺(jué)相機(jī)，其中，肩部與腕部的視覺(jué)相機(jī)是雙目手眼相機(jī)，可以在10米范圍內(nèi)呈現(xiàn)出人眼立體成像效果，助力機(jī)械臂精準(zhǔn)操控。

在1月6日試驗(yàn)中，天宮空間站主機(jī)械臂移動(dòng)至核心艙小柱段第三象限目標(biāo)適配器對(duì)接，而后，機(jī)械臂另一端與天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船前錐段目標(biāo)適配器對(duì)接，完成對(duì)接后，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與核心艙解鎖分離。隨后，在機(jī)械臂拖動(dòng)下，該飛船以節(jié)點(diǎn)艙球心為圓心，向第四象限方向進(jìn)行平面轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位角度為20度，轉(zhuǎn)位到位后，再反向操作，直至天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與核心艙前向?qū)涌趯?duì)接并完成鎖緊，轉(zhuǎn)位試驗(yàn)任務(wù)完成。

據(jù)悉，為了防止對(duì)機(jī)械臂造成損傷，科研人員對(duì)此次轉(zhuǎn)位試驗(yàn)進(jìn)行了周密安排。在轉(zhuǎn)位試驗(yàn)開(kāi)始之前，先把天宮空間站四艙（船）組合體“立起來(lái)”，即核心艙前向端口朝向天頂方向，后向端口朝向地心方向；然后，以核心艙縱軸為軸，旋轉(zhuǎn)90度，使核心艙太陽(yáng)翼與運(yùn)行軌道處于同一平面，將氣動(dòng)擾動(dòng)降到最低。這樣，空間站會(huì)像鐘擺一樣形成重力梯度穩(wěn)定，在任務(wù)實(shí)施過(guò)程中，即便組合體擺動(dòng)，也會(huì)回歸到縱軸初始位置。

一些航天愛(ài)好者可能覺(jué)得，此次試驗(yàn)只進(jìn)行了20度轉(zhuǎn)位，“不過(guò)癮”。選擇這個(gè)角度是有原因的：在轉(zhuǎn)位過(guò)程中，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站核心艙太陽(yáng)翼在同一平面內(nèi)交叉，為了防止太陽(yáng)翼碰撞，只能進(jìn)行小角度轉(zhuǎn)位。其實(shí)，就轉(zhuǎn)位的技術(shù)難度而言，20度與90度的實(shí)際需求沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，達(dá)到試驗(yàn)效果即可。

另外，由于在空間站核心艙與飛船相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中需要處置相對(duì)速度（包括線速度、角速度）、相對(duì)位置等方面的問(wèn)題，試驗(yàn)需要逐步推進(jìn)。而且，每進(jìn)行一步操作，地面控制中心都需要核實(shí)試驗(yàn)執(zhí)行狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)位過(guò)程被分解成多個(gè)動(dòng)作。再加上在開(kāi)始和結(jié)束階段，飛船與空間站核心艙分離解鎖、對(duì)接鎖緊都是比較緩慢的過(guò)程，這就解釋了為什么整個(gè)過(guò)程只有20度的“來(lái)回”，卻耗時(shí)47分鐘。

值得注意的是，除了在此次試驗(yàn)中嶄露頭角的主機(jī)械臂外，天宮空間站還將裝有其他類似系統(tǒng)，如計(jì)劃于今年發(fā)射的問(wèn)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位機(jī)械臂等。

相關(guān)資料顯示，實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂主要用于暴露平臺(tái)的載荷照料，如載荷的安裝、回收、更換等操作，也能用于支持航天員艙外活動(dòng)以及艙外設(shè)備巡檢、大型載荷搬運(yùn)等工作。該機(jī)械臂還可以與空間站主機(jī)械臂直接對(duì)接，形成長(zhǎng)達(dá)15米的超長(zhǎng)機(jī)械臂，并利用空間站核心艙機(jī)械臂“爬行”功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站外表面的“全觸達(dá)”。

轉(zhuǎn)位機(jī)械臂由轉(zhuǎn)臂與基座兩部分組成，轉(zhuǎn)臂安裝在實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接面，由肩關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)臂、腕關(guān)節(jié)組成，基座則安裝在核心艙節(jié)點(diǎn)艙兩側(cè)，二者通過(guò)錐形捕獲機(jī)構(gòu)連接。通過(guò)腕關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙與核心艙之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。肩關(guān)節(jié)則幫助完成實(shí)驗(yàn)艙與轉(zhuǎn)臂之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)位機(jī)械臂控制精度更高，可以大幅度降低異體同構(gòu)周邊對(duì)接裝置的推力負(fù)荷，且轉(zhuǎn)位機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工況可靠性更高，為求“萬(wàn)無(wú)一失”，天宮空間站實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接任務(wù)將由轉(zhuǎn)位機(jī)械臂來(lái)完成。

另有分析稱，未來(lái)天宮空間站還有可能應(yīng)用曾由天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室在軌驗(yàn)證過(guò)的機(jī)械手系統(tǒng)。該系統(tǒng)由五指仿人靈巧手與六自由度機(jī)械臂組成，并輔以視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，由航天員在軌操作，可以跟隨航天員肢體同步運(yùn)作，目的是替代航天員執(zhí)行艙外任務(wù)，以大大減輕航天員出艙任務(wù)負(fù)荷，并提高安全性。在軌驗(yàn)證期間，該機(jī)械手連續(xù)執(zhí)行了拆卸電連接器、撕開(kāi)多層防護(hù)材料、使用電動(dòng)工具擰松螺絲等模擬維修操作，還成功抓取空中漂浮物。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)在天宮空間站任務(wù)中，此類系統(tǒng)必將大放異彩。

安全對(duì)接的重要保障

航天器交會(huì)對(duì)接方式可分為自動(dòng)交會(huì)對(duì)接和航天員手控操作交會(huì)對(duì)接。自動(dòng)交會(huì)對(duì)接是通過(guò)追蹤航天器上的控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，航天員及地面人員對(duì)交會(huì)對(duì)接過(guò)程進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，起到輔助作用。手動(dòng)交會(huì)對(duì)接是指由航天員使用飛船上的手動(dòng)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)，發(fā)送控制指令，手動(dòng)控制、追蹤航天器完成交會(huì)對(duì)接任務(wù)。

在載人航天器上，航天員可以直接參與對(duì)航天器的控制，手動(dòng)交會(huì)對(duì)接可以作為主要的交會(huì)對(duì)接方式，也可作為自動(dòng)交會(huì)對(duì)接的備份。至于無(wú)人航天器，如貨運(yùn)飛船、空間站實(shí)驗(yàn)艙等，無(wú)法實(shí)現(xiàn)手動(dòng)交會(huì)對(duì)接，所以一般采用自動(dòng)交會(huì)對(duì)接方式。不過(guò)，一旦自動(dòng)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無(wú)人航天器可能不得不放棄整個(gè)交會(huì)對(duì)接任務(wù)，這將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，甚至個(gè)別情況下還將威脅到空間站的安全。因此，由航天員或地面人員對(duì)無(wú)人航天器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制交會(huì)對(duì)接，即手控遙操作交會(huì)對(duì)接，具有重要意義。

國(guó)際空間站每年都要進(jìn)行多次交會(huì)對(duì)接，用于乘員輪換和后勤補(bǔ)給等，這期間就發(fā)生過(guò)多次交會(huì)對(duì)接故障，說(shuō)明當(dāng)前航天器上的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)并不是極為完善的。目前，手控遙操作是無(wú)人飛船的必備功能，也是飛船制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的一部分，比如天舟貨運(yùn)飛船就具有手控遙操作交會(huì)對(duì)接功能，作為自動(dòng)交會(huì)對(duì)接的備份手段。

▲ 航天員手控遙操作交會(huì)對(duì)接

雖然無(wú)人飛船的手控遙操作對(duì)接與載人飛船的手控操作對(duì)接類似，但在具體操作層面仍有區(qū)別，畢竟無(wú)人飛船有特殊之處。一方面，由于載人飛船和貨運(yùn)飛船的噸位不同，貨運(yùn)飛船往往更重，二者在操作的響應(yīng)速度和運(yùn)動(dòng)的敏捷性方面也不同，就如同開(kāi)轎車和開(kāi)貨車的區(qū)別。另一方面，由于航天員身處飛船外部進(jìn)行遙控，容易造成航天員反應(yīng)、執(zhí)行指令延時(shí)，這種延時(shí)在其他場(chǎng)合或許影響不大，對(duì)于飛船對(duì)接這樣好似“穿針”的精細(xì)活卻可能“謬之千里”。

而中國(guó)航天科技集團(tuán)五院的研制人員在方案階段就綜合考慮了以上問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)和未來(lái)發(fā)展使用需求，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)延時(shí)條件下的精確控制，在對(duì)航天員的培訓(xùn)中也針對(duì)相關(guān)差異進(jìn)行了專門訓(xùn)練。

目前航天器實(shí)現(xiàn)人控遙操作交會(huì)對(duì)接主要有3種方式。第一種是目標(biāo)航天器（如空間站）上的航天員對(duì)追蹤航天器進(jìn)行交會(huì)對(duì)接遙操作控制，遙操作攝像機(jī)和交會(huì)對(duì)接燈安裝在目標(biāo)航天器上。第二種仍是目標(biāo)航天器上的航天員對(duì)追蹤航天器進(jìn)行交會(huì)對(duì)接遙操作控制，但遙操作攝像機(jī)和交會(huì)對(duì)接燈安裝在追蹤航天器上。第三種是地面操作人員對(duì)追蹤航天器進(jìn)行交會(huì)對(duì)接遙操作控制，遙操作攝像機(jī)和交會(huì)對(duì)接燈一般安裝在追蹤航天器上，由地面控制中心根據(jù)下行的交會(huì)對(duì)接圖像控制追蹤航天器逐步接近目標(biāo)航天器。

▲ 貨運(yùn)飛船與空間站組合體精準(zhǔn)完成交會(huì)對(duì)接

據(jù)悉，1月8日試驗(yàn)采用了第二種方案。整個(gè)“駕駛”過(guò)程中，航天員的視角是從飛船“看”向空間站的，就好像航天員坐在貨運(yùn)飛船里駕駛一樣。而航天員面對(duì)的儀表系統(tǒng)、操作手柄等跟此前在神舟飛船上實(shí)施手控交會(huì)對(duì)接時(shí)的大同小異，如此便最大限度地降低了航天員的訓(xùn)練難度，減輕了操作和識(shí)別方面的負(fù)擔(dān)。在此次試驗(yàn)中，神舟十三號(hào)飛船航天員乘組在核心艙發(fā)出控制指令，讓天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船先與核心艙分離，航天員再手動(dòng)控制貨運(yùn)飛船的位置和姿態(tài)，撤到前向的一定距離，再次控制它進(jìn)行對(duì)接，一直到鎖緊完成。

在軌試驗(yàn)意義重大

新年伊始，中國(guó)空間站先后成功完成不同試驗(yàn)，必將為空間站建設(shè)、運(yùn)營(yíng)奠定良好基礎(chǔ)。

眾所周知，今年中國(guó)天宮空間站全面進(jìn)入在軌建造階段，20噸級(jí)大型實(shí)驗(yàn)艙問(wèn)天號(hào)與夢(mèng)天號(hào)將陸續(xù)發(fā)射，執(zhí)行在軌建造組裝任務(wù)。可以預(yù)計(jì)，空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位功能屆時(shí)就要派上用場(chǎng)。雖然首選方案應(yīng)該是利用實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位機(jī)械臂實(shí)施對(duì)接、轉(zhuǎn)位，但由于任務(wù)執(zhí)行過(guò)程較為復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位事關(guān)空間站建造任務(wù)的成敗，必須配置冗余備份手段，空間站主機(jī)械臂就承擔(dān)了這一職能。

另一方面，空間站主機(jī)械臂轉(zhuǎn)位試驗(yàn)也為后續(xù)在軌捕獲其它航天器、輔助對(duì)接驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)能力。目前神舟飛船與天舟飛船都具備自主對(duì)接能力，不需要空間站機(jī)械臂輔助對(duì)接，但空間站每次補(bǔ)給、運(yùn)輸任務(wù)不必完全依靠大運(yùn)載量的天舟飛船，后續(xù)空間站很可能將有其他中小型貨運(yùn)飛船對(duì)接需求，而此類飛船為了降低貨船干重和成本、提高運(yùn)載效率，往往會(huì)簡(jiǎn)化對(duì)接機(jī)構(gòu)，屆時(shí)就需要用到空間站機(jī)械臂了。

中國(guó)航天員首次在軌利用手控遙操作設(shè)備，控制貨運(yùn)飛船與空間站進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，飛船制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)異，初步驗(yàn)證了空間站與來(lái)訪飛行器手控遙操作系統(tǒng)的功能、性能，體現(xiàn)了天地間協(xié)同工作程序的合理性，為今后中國(guó)的空間站建設(shè)、運(yùn)營(yíng)鋪平了道路。