機(jī)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(jī)器人燃料加注任務(wù)”（RRM）技術(shù)演示驗(yàn)證的第三項(xiàng)重要試驗(yàn)，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(dòng)鎖切割衛(wèi)星鎖線和拆除模擬衛(wèi)星冷卻劑氣體設(shè)備試驗(yàn)之后，在RRM中取得的又一重要進(jìn)展，標(biāo)志著美國在機(jī)器人燃料加注技術(shù)方面獲得了新的突破。

在太空表演的明星們

用于RRM技術(shù)演示驗(yàn)證的試驗(yàn)設(shè)備主要由兩個(gè)部分組成，即RRM模塊和專用靈巧機(jī)械臂。

RRM模塊質(zhì)量約250千克，呈立方體形狀，長(zhǎng)、寬、高的尺寸分別為1.14米×0.84米×1.09米。RRM內(nèi)部裝有四種專用工具和存放于貯液器中用于驗(yàn)證在軌流體傳輸?shù)?.7升模擬乙醇燃料。RRM模塊上還裝有用于試驗(yàn)的模擬衛(wèi)星隔熱氈、安全螺栓和螺帽、燃料閥門等試驗(yàn)部件，其中燃料閥門與RRM流體傳輸系統(tǒng)相連。

四種RRM專用工具安放在RRM模塊內(nèi)部，每種工具的質(zhì)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(wèi)星鎖線和隔熱氈，并可移動(dòng)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(dòng)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(shè)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(duì)閥門進(jìn)行密封。第四種稱為連接管工具，該工具可與模擬衛(wèi)星燃料閥連接，開啟和關(guān)閉燃料閥門，完成模擬乙醇燃料的傳輸。傳輸結(jié)束后，該工具會(huì)在模擬衛(wèi)星燃料閥上安裝“快速開啟斷開”裝置，以便將來再次進(jìn)行燃料加注。

這四種專用工具都配有發(fā)光二極管攝像機(jī)，能夠確保地面控制人員監(jiān)視實(shí)際的操作情況。四種專用工具均由NASA戈達(dá)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(jī)械臂”和“移動(dòng)遙控服務(wù)基座”以及“遙控操縱系統(tǒng)”組成國際空間站的雙臂機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人系統(tǒng)是加拿大航天局參與國際空間站的主要項(xiàng)目。其中“專用機(jī)械臂”承擔(dān)了本次演示驗(yàn)證任務(wù)，該機(jī)械臂及地面控制設(shè)備均由加拿大麥克唐納·德克威勒公司負(fù)責(zé)制造，于2008年3月16日安裝到國際空間站上，“專用靈巧機(jī)械臂”長(zhǎng)約3.35米，質(zhì)量1560千克，操作十分靈活，共有15個(gè)自由度。擁有拆裝600千克質(zhì)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(jī)械臂末端有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能利用4種RRM專用工具完成演示驗(yàn)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(jī)械臂”完成了向模擬衛(wèi)星加注乙醇燃料的試驗(yàn)。其試驗(yàn)過程按時(shí)間段劃分為六個(gè)階段。

第一階段（14日7時(shí)～15日3時(shí)）：專用靈巧機(jī)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(wèi)星燃料閥門螺帽鎖線；專用靈巧機(jī)械臂抓取RRM工具箱中的多功能工具，將模擬衛(wèi)星燃料閥門上的螺帽拆除。

第二階段（14日13時(shí)～16日8時(shí)）：專用靈巧機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)～18日8時(shí)）：專用靈巧機(jī)械臂從RRM工具箱中抓取RRM安全螺帽工具；對(duì)工具性能進(jìn)行檢測(cè)。

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

第五階段（23日11時(shí)～24日6時(shí)）：專用靈巧機(jī)械臂從RRM工具箱中抓取連接管工具，RRM項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)該工具性能進(jìn)行檢測(cè)；將該工具移動(dòng)至RRM模塊外部模擬衛(wèi)星燃料閥處，該燃料閥稱為“鉛垂注入/排出閥”；加注準(zhǔn)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(wèi)星燃料閥進(jìn)行加注

第六階段（24日15時(shí)～25日3時(shí)）：連接管工具穿入RRM外部模擬衛(wèi)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(fā)送精確命令序列啟動(dòng)RRM，RRM通過其流體傳輸系統(tǒng)和附屬燃料閥將液態(tài)乙醇傳輸進(jìn)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(chuàng)新性技術(shù)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(chuàng)造條件；專用靈巧機(jī)械臂把連接管工具放回RRM工具箱中，并安裝好穩(wěn)定裝置；本次RRM模擬燃料加注演示驗(yàn)證結(jié)束。整個(gè)燃料傳輸過程按計(jì)劃進(jìn)行，其中有一小部分乙醇和預(yù)期的一樣噴濺出來，但并不影響試驗(yàn)結(jié)果。

NASA稱，通過本次試驗(yàn)，驗(yàn)證了配備有精密工具、采用新型燃料傳輸系統(tǒng)以及精心設(shè)計(jì)程序的機(jī)器人遙控技術(shù)。證明“不具備專門在軌燃料加注接口”的衛(wèi)星是可以進(jìn)行燃料加注的。

機(jī)器人的太空表現(xiàn)

RRM技術(shù)演示驗(yàn)證是NASA和加拿大航天局的聯(lián)合演示驗(yàn)證項(xiàng)目，主要任務(wù)是利用安裝在國際空間站外部平臺(tái)上的RRM模塊和空間站上的加拿大“專用靈巧機(jī)械臂”，演示驗(yàn)證燃料在軌加注技術(shù)及相關(guān)航天器在軌服務(wù)技術(shù)。與美國開展過的在軌加注技術(shù)驗(yàn)證不同，RRM驗(yàn)證的技術(shù)用于不具備專門在軌燃料加注接口的衛(wèi)星，此前進(jìn)行的技術(shù)驗(yàn)證在接受燃料加注的目標(biāo)星上預(yù)先設(shè)置了加注接口。由于這種原因，使RRM與之前的驗(yàn)證相比，在燃料加注操作上更加復(fù)雜，但驗(yàn)證的加注技術(shù)具有更廣泛的使用性。

NASA將RRM整個(gè)演示驗(yàn)證劃分成六個(gè)部分即完成六項(xiàng)重要試驗(yàn)。

第一項(xiàng)試驗(yàn)（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(dòng)鎖，確保專用靈巧機(jī)械臂能夠利用RRM工具完成在軌加注演示驗(yàn)證所需的操作。啟動(dòng)鎖是保證RRM工具在運(yùn)往國際空間站期間保持緊固狀態(tài)的裝置。

第二項(xiàng)試驗(yàn)（2012年3月7日～6月22日）：第二項(xiàng)試驗(yàn)分為兩步，3月7日～9日完成了第一步即利用專用靈巧機(jī)械臂從RRM模塊內(nèi)部取出一種RRM專用工具——鎖線切割器，成功切斷了模擬衛(wèi)星上兩條直徑為0.5毫米的極細(xì)鎖線，證明利用機(jī)器人技術(shù)和工具能夠在空間進(jìn)行精細(xì)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(jī)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(wèi)星的冷卻劑氣體設(shè)備。

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

按NASA的計(jì)劃，在2014年3月之前還將完成另外三項(xiàng)試驗(yàn)即第四項(xiàng)切割、處理模擬衛(wèi)星隔熱氈；第五項(xiàng)拆除模擬衛(wèi)星燃料閥緊固螺栓；第六項(xiàng)拆除電氣安全螺帽。這三項(xiàng)試驗(yàn)的具體日期尚未確定?？傮w上，NASA已經(jīng)完成了RRM技術(shù)演示驗(yàn)證六項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)中的前三項(xiàng)。

NASA的RRM旨在驗(yàn)證在軌燃料加注和相關(guān)航天器在軌服務(wù)技術(shù)。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(zhí)行任務(wù)的靈活性。由于具有巨大的應(yīng)用潛力，因此在軌加注和在軌服務(wù)技術(shù)受到美國軍方、NASA和工業(yè)界的重視。

國際空間站上的雙臂機(jī)器人

專用靈巧機(jī)械臂抓取RRM鎖線切割器工具，準(zhǔn)備切割模擬衛(wèi)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(yàn)是“史無前例”的。雖然是作為RRM的第三項(xiàng)試驗(yàn)，但其持續(xù)12天的試驗(yàn)過程囊括了RRM已經(jīng)完成的兩項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容，即鎖線切割和移除燃料閥安全螺帽兩項(xiàng)操作。而且本次試驗(yàn)在模擬衛(wèi)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(chuàng)造了條件?？梢哉f本次試驗(yàn)的過程是一個(gè)較為完整的為“沒有專門燃料加注接口”的衛(wèi)星進(jìn)行燃料加注的過程，是RRM演示驗(yàn)證的核心部分。目前，NASA戈達(dá)德太空飛行中心衛(wèi)星服務(wù)能力辦公室正在評(píng)估本次試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)。這不僅證明了為“沒有專門燃料加注接口”的衛(wèi)星進(jìn)行在軌燃料加注的可行性，更是美國在軌加注技術(shù)取得了突破性進(jìn)展的重要標(biāo)志。

還有更精彩的嗎？

在航天器在軌加注和在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域，美國軍民兩方面采取了多種技術(shù)途徑。美國軍方于2007年開展了軌道快車項(xiàng)目的在軌演示驗(yàn)證，成功的在兩個(gè)有專用加注接口的航天器之間進(jìn)行了肼推進(jìn)劑的傳輸操作。目前NASA進(jìn)行的RRM技術(shù)驗(yàn)證針對(duì)沒有專門燃料接口的航天器，其操作更加復(fù)雜，技術(shù)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(jì)劃，目的是通過安裝功能模塊、切割衛(wèi)星天線等一系列在軌操作實(shí)現(xiàn)廢棄衛(wèi)星上可用零部件的重復(fù)使用。值得指出的是“鳳凰”計(jì)劃是在軍方之前的軌道項(xiàng)目、前端機(jī)器人近期演示驗(yàn)證項(xiàng)目基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。總體來看，美國的發(fā)展方式是先易后難、循序漸進(jìn)，較好地遵循了科學(xué)技術(shù)發(fā)展的客觀規(guī)律。

在軌加注特別是針對(duì)沒有專用加注接口的航天器進(jìn)行在軌加注是一項(xiàng)復(fù)雜性很高的技術(shù)，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的技術(shù)積累。雖然NASA在這方面取得了顯著進(jìn)展，但距離實(shí)際應(yīng)用還有比較大的距離。首先本次試驗(yàn)是在空間站上進(jìn)行的，接受燃料加注的模擬衛(wèi)星固定在空間站外部，提供燃料加注的機(jī)械臂也固定在空間站上，這為實(shí)施技術(shù)驗(yàn)證提供了很大便利。該項(xiàng)技術(shù)要真正投入實(shí)際應(yīng)用為在軌運(yùn)行的衛(wèi)星實(shí)施在軌加注，需要解決與目標(biāo)星之間的位置保持問題，以及如何切割目標(biāo)星的隔熱氈而不對(duì)星體造成破壞等。從“固定靶”到“移動(dòng)靶”還有很長(zhǎng)的路要走。

在地面操縱機(jī)器人進(jìn)行模擬加注試驗(yàn)

工作人員對(duì)RRM模塊進(jìn)行出廠前的檢測(cè)