7月4日 ， 中国空间站核心舱机械臂首次托举航天员刘伯明到指定位置圆满完成出舱操作 ， 抬升天和核心舱舱外全景相机的位置 ， 并验证机械臂的大范围转移能力 ， 完成了我国空间站工程建造任务的又一壮举 。
出舱活动是航天员身着舱外航天服在航天器外进行太空行走和作业的统称 。 在空间站任务中 ， 航天员将进行多次出舱活动 ， 完成空间站的维修、维护及建造等任务 。 那么 ， 你知道在哪些设备与产品的支持下 ， 航天员才能顺利完成出舱活动吗？
名副其实的“大力士”——机械臂
空间站核心舱机械臂由航天科技集团五院抓总研制 ， 是目前同类航天产品中复杂度最高、规模最大、控制精度最高的空间智能机械系统 。 它的展开长度为10.2米 ， 最多能承载25吨的重量 ， 是空间站任务中的“大力士” ， 主要承担舱段转位、航天员出舱活动、舱外货物搬运、舱外状态检查、舱外大型设备维护等八大类在轨任务 。
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▲7月4日 ， 在北京航天飞行控制中心大屏拍摄的航天员刘伯明出舱场面 。 新华社发
作为我国首个可长期在太空轨道运行的机械臂 ， 空间站核心舱机械臂肩部设置了3个关节、肘部设置了1个关节、腕部设置了3个关节 ， 一共7个关节 。 “每个关节对应1个自由度 ， 就如同人的手臂一般 ， 具有7个自由度的活动能力 。 通过各个关节的旋转 ， 能够实现自身前后左右任意角度与位置的抓取和操作 ， 为航天员顺利开展出舱任务提供强有力的保证 。 ”航天科技集团五院空间站系统机械臂控制负责人梁常春介绍 。
据悉 ， 为扩大任务触及范围 ， 机械臂还具备“爬行”功能 。 由于机械臂采用“肩3+肘1+腕3”的关节配置方案 ， 肩部和腕部关节配置相同 ， 意味着其两端活动功能一样 。 同时 ， 肩部与腕部各安了一个末端执行器——“作为机器臂的触手 ， 末端执行器可以对接舱体表面安装的目标适配器 ， 机械臂通过末端执行器与目标适配器对接与分离 ， 同时配合各关节的联合运动 ， 从而实现在舱体上的爬行转移 。 ”航天科技集团五院空间站系统机械臂主任设计师王友渔指出 。
空间站机械臂是我国航天事业发展的新领域之一 。 在抓总研制过程中 ， 研制团队在关键技术、原材料选用、制造工艺、适应空间站环境的长寿命设计等方面均作出了重大突破和创新 ， 全部核心部件实现国产化 ， 并形成多项国家空间机器人行业标准 。
舱外维修与辅助工具首次亮相
作为航天员执行出舱任务的“机械伙伴”——舱外维修与辅助工具在此次出舱活动中首次亮相 。
“舱外维修与辅助工具可协助航天员 ， 有效克服在轨着航天服状态下手套充压后操作不便、航天员需单手操作难度大、在轨防漂要求高等难题 ， 具备辅助航天员在轨着航天服状态下开展舱外行走、位姿转换、设备更换、产品安全防护等多项功能 ， 是航天员执行舱外活动必不可少的工具 。 ”航天科技集团五院总装与环境工程部空间站舱外维修工具负责人傅浩介绍 。
为确保舱外维修与辅助工具满足上述应用需求 ， 在首次出舱前 ， 航天员就已经对维修工具进行了健康状态检查、使用状态设置等 。 “第一次出舱时 ， 脚限位器操作台、通用把手、电动工具这些东西需要提前放到节点舱 ， 两套航天服提前做好气密性检查 ， 还有相关的一些准备工作 。 ”航天科技集团五院空间站总体总装副主任设计师刁常堃说 。
据航天科技集团五院载人航天器在轨维修技术实验室负责人王昊介绍 ， 舱内的工具配套大概有几十种 ， 舱外的也有十几种 。 “对航天员来说 ， 可使用的工具越来越丰富 ， 所有的动作和流程都在总体设计时进行了仿真验证 。 ”
据悉 ， 舱外维修与辅助工具不仅有用于舱外设备维修的电动工具、扳手、通用把手等 ， 也有各种配合航天员舱外姿态稳定、转换的便携式脚限位器、舱外操作台等 。 其中 ， 舱外电动工具是此次维修任务用到的唯一一个机电类工具 ， 可以适应舱外复杂的真空和高低温环境 ， 具有定力矩拧紧、拧松的工作模式 ， 并且设置有休眠模式 。 舱外通用把手可以安装到维修设备上 ， 用于航天员在轨维修时转移待维修设备或者防止其漂移 。 舱外辅助维修工具包含便携式脚限位器、两种便携式安全带、舱外操作台及微型工作台 。 “便携式脚限位器是此次维修任务中机构设计最为复杂的产品 ， 共设计有旋转、俯仰、滚转、偏航4个关节自由度 ， 可协助航天员在舱外调整至执行任务的工作姿态；与之配合使用的舱外操作台 ， 可帮助航天员在执行维修任务时挂放设备和维修工具 ， 从而解放双手 ， 实现设备或维修工具的临时存放；便携式安全带可以防止航天员在舱外作业时位置设备及维修工具漂移；而与航天服直接相连的微型工作台 ， 则像一根多功能腰带一样环绕在航天服腰部 ， 方便航天员随身携带出舱使用的维修工具 ， 确保随用随取 。 ”傅浩解释 。
航天员出舱后如何与地面联系
航天员进行出舱活动时 ， 与地面建立高速及时的通信联系尤为重要 。 因此 ， 出舱活动不仅是对航天员的全方位考验 ， 也是对空间站天和核心舱与地面测控站间通信能力的一大考验 。
航天科技集团五院研制的第三代中继终端产品 ， 通过与中继卫星天链一号和天链二号建立中继链路 ， 实现中继通信 ， 确保航天员与地面通信的实时畅通 。 “这就好比在太空中搭建地面与中继卫星、中继卫星与航天员之间的‘天路’ 。 ”航天科技集团五院西安分院载人航天工程任务中继终端研制负责人余晓川这样比喻 。
据余晓川介绍 ， 空间站中继终端与其他型号在设计上最大的区别在于 ， 为了保证在轨使用的长寿命 ， 需要具备在轨可维修性 。 “空间站中继终端采用集成化、模块化的设计思路 ， 在保证传输信号质量的同时 ， 也方便航天员维修更换 。 ”
【关节|航天员出舱活动，有它们的“一臂之力”】航天员出舱后 ， 还需测控通信产品提供通信保障 。 航天科技集团五院研制的出舱通信子系统 ， 可以实现舱内外航天员之间、舱内外航天员与地面人员之间、舱外航天员之间的全双工语音通信 ， 在舱外活动范围内实现无线通信全覆盖 。 “与上一代出舱通信系统相比 ， 该产品具有通信距离更远、通信速率更高、工作寿命更长等特点；同时 ， 由于采用了功率控制、抗多径等措施 ， 该产品具有更强的空间环境抗电磁干扰能力 ， 并支持多名航天员同时出舱活动时的通话功能 。 ”航天科技集团五院513所出舱通信子系统产品主管设计师刘福平指出 。
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