雙首次！中國空間站新年開展新試驗

文/蘭順正

2022年1月6日，中國天宮空間站機械臂轉(zhuǎn)位貨運飛船試驗順利完成；1月8日上午，神舟十三號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貨運飛船與空間站組合體交會對接試驗。以上兩次試驗都屬中國首次，對于今后中國空間站的運營以及太空事業(yè)的發(fā)展都有著重大意義。

太空中的“大力士”

▲ 天舟二號貨運飛船在機械臂拖動下進行平面轉(zhuǎn)位

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

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

▲ 天舟二號貨運飛船與天和核心艙解鎖分離

▲ 天舟二號貨運飛船與天和核心艙重新對接并完成鎖緊

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

與國際空間站的加拿大機械臂類似，天宮空間站主機械臂首尾兩端各有1個末端執(zhí)行器，而肩部末端執(zhí)行器、腕部末端執(zhí)行器都可以通過目標(biāo)適配器實現(xiàn)與艙體的對接、分離，進而在空間站艙體外表面進行“爬行”，靈活變換部署位置，以適配不同的任務(wù)。

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

在1月6日試驗中，天宮空間站主機械臂移動至核心艙小柱段第三象限目標(biāo)適配器對接，而后，機械臂另一端與天舟二號貨運飛船前錐段目標(biāo)適配器對接，完成對接后，天舟二號貨運飛船與核心艙解鎖分離。隨后，在機械臂拖動下，該飛船以節(jié)點艙球心為圓心，向第四象限方向進行平面轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位角度為20度，轉(zhuǎn)位到位后，再反向操作，直至天舟二號貨運飛船與核心艙前向?qū)涌趯硬⑼瓿涉i緊，轉(zhuǎn)位試驗任務(wù)完成。

據(jù)悉，為了防止對機械臂造成損傷，科研人員對此次轉(zhuǎn)位試驗進行了周密安排。在轉(zhuǎn)位試驗開始之前，先把天宮空間站四艙（船）組合體“立起來”，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，使核心艙太陽翼與運行軌道處于同一平面，將氣動擾動降到最低。這樣，空間站會像鐘擺一樣形成重力梯度穩(wěn)定，在任務(wù)實施過程中，即便組合體擺動，也會回歸到縱軸初始位置。

一些航天愛好者可能覺得，此次試驗只進行了20度轉(zhuǎn)位，“不過癮”。選擇這個角度是有原因的：在轉(zhuǎn)位過程中，天舟二號貨運飛船與空間站核心艙太陽翼在同一平面內(nèi)交叉，為了防止太陽翼碰撞，只能進行小角度轉(zhuǎn)位。其實，就轉(zhuǎn)位的技術(shù)難度而言，20度與90度的實際需求沒有本質(zhì)區(qū)別，達到試驗效果即可。

另外，由于在空間站核心艙與飛船相對運動的過程中需要處置相對速度（包括線速度、角速度）、相對位置等方面的問題，試驗需要逐步推進。而且，每進行一步操作，地面控制中心都需要核實試驗執(zhí)行狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)位過程被分解成多個動作。再加上在開始和結(jié)束階段，飛船與空間站核心艙分離解鎖、對接鎖緊都是比較緩慢的過程，這就解釋了為什么整個過程只有20度的“來回”，卻耗時47分鐘。

值得注意的是，除了在此次試驗中嶄露頭角的主機械臂外，天宮空間站還將裝有其他類似系統(tǒng)，如計劃于今年發(fā)射的問天號實驗艙機械臂系統(tǒng)、實驗艙轉(zhuǎn)位機械臂等。

相關(guān)資料顯示，實驗艙機械臂主要用于暴露平臺的載荷照料，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以及艙外設(shè)備巡檢、大型載荷搬運等工作。該機械臂還可以與空間站主機械臂直接對接，形成長達15米的超長機械臂，并利用空間站核心艙機械臂“爬行”功能，實現(xiàn)對空間站外表面的“全觸達”。

轉(zhuǎn)位機械臂由轉(zhuǎn)臂與基座兩部分組成，轉(zhuǎn)臂安裝在實驗艙對接面，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)點艙兩側(cè)，二者通過錐形捕獲機構(gòu)連接。通過腕關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)實驗艙與核心艙之間的相對轉(zhuǎn)動。肩關(guān)節(jié)則幫助完成實驗艙與轉(zhuǎn)臂之間的相對轉(zhuǎn)動。由于轉(zhuǎn)位機械臂控制精度更高，可以大幅度降低異體同構(gòu)周邊對接裝置的推力負(fù)荷，且轉(zhuǎn)位機械臂結(jié)構(gòu)簡單，工況可靠性更高，為求“萬無一失”，天宮空間站實驗艙對接任務(wù)將由轉(zhuǎn)位機械臂來完成。

另有分析稱，未來天宮空間站還有可能應(yīng)用曾由天宮二號空間實驗室在軌驗證過的機械手系統(tǒng)。該系統(tǒng)由五指仿人靈巧手與六自由度機械臂組成，并輔以視覺測量系統(tǒng)，由航天員在軌操作，可以跟隨航天員肢體同步運作，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。在軌驗證期間，該機械手連續(xù)執(zhí)行了拆卸電連接器、撕開多層防護材料、使用電動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，未來在天宮空間站任務(wù)中，此類系統(tǒng)必將大放異彩。

安全對接的重要保障

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

在載人航天器上，航天員可以直接參與對航天器的控制，手動交會對接可以作為主要的交會對接方式，也可作為自動交會對接的備份。至于無人航天器，如貨運飛船、空間站實驗艙等，無法實現(xiàn)手動交會對接，所以一般采用自動交會對接方式。不過，一旦自動交會對接系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無人航天器可能不得不放棄整個交會對接任務(wù)，這將造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響，甚至個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無人航天器進行遠程控制交會對接，即手控遙操作交會對接，具有重要意義。

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

▲ 航天員手控遙操作交會對接

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

而中國航天科技集團五院的研制人員在方案階段就綜合考慮了以上問題，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)和未來發(fā)展使用需求，通過創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)了長延時條件下的精確控制，在對航天員的培訓(xùn)中也針對相關(guān)差異進行了專門訓(xùn)練。

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

▲ 貨運飛船與空間站組合體精準(zhǔn)完成交會對接

據(jù)悉，1月8日試驗采用了第二種方案。整個“駕駛”過程中，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飛船里駕駛一樣。而航天員面對的儀表系統(tǒng)、操作手柄等跟此前在神舟飛船上實施手控交會對接時的大同小異，如此便最大限度地降低了航天員的訓(xùn)練難度，減輕了操作和識別方面的負(fù)擔(dān)。在此次試驗中，神舟十三號飛船航天員乘組在核心艙發(fā)出控制指令，讓天舟二號貨運飛船先與核心艙分離，航天員再手動控制貨運飛船的位置和姿態(tài)，撤到前向的一定距離，再次控制它進行對接，一直到鎖緊完成。

在軌試驗意義重大

新年伊始，中國空間站先后成功完成不同試驗，必將為空間站建設(shè)、運營奠定良好基礎(chǔ)。

眾所周知，今年中國天宮空間站全面進入在軌建造階段，20噸級大型實驗艙問天號與夢天號將陸續(xù)發(fā)射，執(zhí)行在軌建造組裝任務(wù)?？梢灶A(yù)計，空間站機械臂轉(zhuǎn)位功能屆時就要派上用場。雖然首選方案應(yīng)該是利用實驗艙轉(zhuǎn)位機械臂實施對接、轉(zhuǎn)位，但由于任務(wù)執(zhí)行過程較為復(fù)雜，且實驗艙轉(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，空間站主機械臂就承擔(dān)了這一職能。

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

中國航天員首次在軌利用手控遙操作設(shè)備，控制貨運飛船與空間站進行交會對接，飛船制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)異，初步驗證了空間站與來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，為今后中國的空間站建設(shè)、運營鋪平了道路。