中國(guó)空間站出艙利器大揭秘

北京時(shí)間7月4日14時(shí)57分，神舟十二號(hào)航天員乘組密切協(xié)同，圓滿完成出艙活動(dòng)期間全部既定任務(wù)，航天員劉伯明、湯洪波安全返回天和核心艙。整個(gè)出艙活動(dòng)歷時(shí)約7小時(shí)，牽動(dòng)人心。

百變金剛“中國(guó)臂”究竟神奇在哪兒

當(dāng)天8時(shí)11分，航天員劉伯明成功開啟天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙出艙艙門。截至11時(shí)02分，劉伯明、湯洪波已先后從天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙成功出艙，并已完成在機(jī)械臂上安裝腳限位器和艙外工作臺(tái)等工作。

在此次出艙任務(wù)中，空間站核心艙機(jī)械臂首次托舉劉伯明到指定位置圓滿完成出艙操作，抬升天和核心艙艙外全景相機(jī)的位置，并驗(yàn)證了機(jī)械臂的大范圍轉(zhuǎn)移能力。

空間站核心艙機(jī)械臂是目前我國(guó)同類航天產(chǎn)品中復(fù)雜度最高、規(guī)模最大、控制精度最高的空間智能機(jī)械系統(tǒng)。這條被稱作百變金剛的“中國(guó)臂”，自從上了天就備受關(guān)注。

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院空間站機(jī)械臂控制系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師梁常春說，核心艙機(jī)械臂展開長(zhǎng)度為10.2米，最多能承載25噸的重量，是空間站任務(wù)中的“大力士”，其主要承擔(dān)艙段轉(zhuǎn)位、航天員出艙活動(dòng)、艙外貨物搬運(yùn)、艙外狀態(tài)檢查、艙外大型設(shè)備維護(hù)等八大類在軌任務(wù)，為航天員出艙順利開展出艙任務(wù)提供強(qiáng)有力的保證。

據(jù)他介紹，空間站核心艙機(jī)械臂是我國(guó)首個(gè)可長(zhǎng)期在太空軌道運(yùn)行的機(jī)械臂，其肩部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)、肘部設(shè)置了1個(gè)關(guān)節(jié)、腕部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)，一共7個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)自由度，“就如同人的手臂一般，具有七自由度的活動(dòng)能力”。

在這次出艙任務(wù)中，3名航天員都有明確分工。出艙的兩名航天員，一人要為機(jī)械臂安裝上臂支架，包括腳限位器、工作臺(tái)等，隨后借助機(jī)械臂進(jìn)行移動(dòng)。另一名航天員借助艙壁上安裝的扶手，爬行一段距離到作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行輔助工作。

梁常春告訴記者，由于核心艙機(jī)械臂采用“肩3+肘1+腕3”的關(guān)節(jié)配置方案，肩部和腕部關(guān)節(jié)配置相同，意味著機(jī)械臂兩端活動(dòng)功能是一樣的。

同時(shí)，機(jī)械臂的肩部與腕部各安裝了一個(gè)末端執(zhí)行器，作為機(jī)器臂的觸手，末端執(zhí)行器可以對(duì)接艙體表面安裝的目標(biāo)適配器，機(jī)械臂通過末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器對(duì)接與分離，同時(shí)配合各關(guān)節(jié)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在艙體上的爬行轉(zhuǎn)移。

梁常春說，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械臂的平穩(wěn)運(yùn)行和精確定位，空間站機(jī)械臂各處裝有“控制大腦”，包括1套機(jī)械臂中央控制器、7套關(guān)節(jié)控制器和兩套末端控制器。

航天員出艙后靠啥與地面聯(lián)系

進(jìn)行出艙活動(dòng)時(shí)，與地面建立高速及時(shí)的通信聯(lián)系尤為重要，出艙活動(dòng)不僅是對(duì)航天員的全方位考驗(yàn)，也是對(duì)空間站天和核心艙與地面測(cè)控站間通信能力的一大考驗(yàn)。

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師柏林厚表示，該院研制的第三代中繼終端產(chǎn)品，通過與中繼衛(wèi)星天鏈一號(hào)和天鏈二號(hào)建立中繼鏈路，實(shí)現(xiàn)中繼通信，確保航天員與地面通信的實(shí)時(shí)暢通。這就好比在太空搭建了地面與中繼衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星與航天員之間的“天路”。

值得一提的是，空間站中繼終端與其他型號(hào)在設(shè)計(jì)上最大的區(qū)別在于，為了保證在軌使用的壽命，需要具備在軌可維修性。空間站中繼終端采用集成化、模塊化的設(shè)計(jì)思路，在保證傳輸信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，方便航天員維修更換。

柏林厚表示，該院研制的出艙通信子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)外航天員之間、艙內(nèi)外航天員與地面人員之間以及艙外航天員之間的全雙工語音通信，在航天員艙外活動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線通信全覆蓋。

與上一代出艙通信系統(tǒng)相比，最新的出艙通信子系統(tǒng)具有通信距離更遠(yuǎn)、通信速率更高、工作壽命更長(zhǎng)等特點(diǎn)，同時(shí)由于采用了功率控制、抗多徑等措施，具有更強(qiáng)的空間環(huán)境抗電磁干擾能力，并支持多名航天員同時(shí)出艙活動(dòng)時(shí)的通話功能。

柏林厚表示，艙外圖像傳輸子系統(tǒng)為艙外提供無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通過出艙無線收發(fā)設(shè)備提供的“熱點(diǎn)”進(jìn)行圖像傳輸，實(shí)現(xiàn)了航天員出艙活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)記錄等功能以及為太陽(yáng)翼繞行測(cè)量試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)傳輸功能。

首次亮相的“出艙工具包”都有啥

為航天員執(zhí)行出艙任務(wù)的“機(jī)械伙伴”——艙外維修與輔助工具也首次亮相。

此次劉伯明、湯洪波身著的新一代“飛天”艙外航天服為中國(guó)自主研制，航天服經(jīng)改進(jìn)后，能滿足身高1.6米到1.8米的人穿著，還能根據(jù)航天員的體型進(jìn)行調(diào)整，且穿脫方便快捷。

此外，柏林厚介紹，艙外維修與輔助工具由五院研制，可協(xié)助航天員有效克服在軌著航天服狀態(tài)下手套充壓后操作不便、航天員需單手操作難度大、在軌防飄要求高等難題，具備輔助航天員在軌著航天服狀態(tài)下開展艙外行走、位姿轉(zhuǎn)換、設(shè)備更換、產(chǎn)品安全防護(hù)等多項(xiàng)功能，是航天員執(zhí)行艙外活動(dòng)必不可少的工具。

他告訴記者，為了確保艙外維修與輔助工具的健康狀態(tài)良好，滿足首次出艙任務(wù)需求，在首次出艙之前，航天員已在艙內(nèi)進(jìn)行了維修工具的健康狀態(tài)檢查、使用狀態(tài)設(shè)置等各項(xiàng)工作，確保滿足出艙應(yīng)用需求。

據(jù)他介紹，艙外維修與輔助工具不僅有用于艙外設(shè)備維修的艙外電動(dòng)工具、艙外扳手、通用把手等工具，也有各種配合航天員艙外姿態(tài)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換的便攜式腳限位器、艙外操作臺(tái)等輔助工具。

作為空間站維修工具產(chǎn)品的“一號(hào)選手”，艙外電動(dòng)工具是此次維修任務(wù)用到的唯一一個(gè)機(jī)電類工具，可以適應(yīng)艙外復(fù)雜的真空和高低溫環(huán)境，具有定力矩?cái)Q緊、擰松的工作模式，并且設(shè)置有休眠模式。

柏林厚介紹，艙外輔助維修工具包含便攜式腳限位器、艙外操作臺(tái)、兩種便攜式安全帶及微型工作臺(tái)。便攜式腳限位器是此次維修任務(wù)中機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)最為復(fù)雜的產(chǎn)品，共設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航4個(gè)關(guān)節(jié)自由度，可協(xié)助航天員在艙外調(diào)整至執(zhí)行任務(wù)的工作姿態(tài)。

神舟十二號(hào)航天員乘組自6月17日進(jìn)駐天和核心艙以來，按計(jì)劃開展了各項(xiàng)工作，目前3名航天員狀態(tài)良好，后續(xù)在軌飛行期間還將進(jìn)行一次出艙活動(dòng)。