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中国空间站机械臂被指抄加拿大作业,美国竟一反常态不吭声?

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老粥科普 2021-06-22 17:00

中国天宫空间站发射入轨后,有许多组装、测试以及舱外检查的工作需要航天员出舱完成。即使是穿着厚重的舱外航天服,航天员暴露在太空工作依然面临许多不可预知的风险,比如微流星与空间碎片的撞击、太阳粒子以及宇宙射线的辐射等等,都会威胁航天员的健康甚至生命安全。因此,我们需要尽量减少航天员出舱工作的时间和次数,将更多的工作交给舱外机械臂来完成。

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机械臂移动货运飞船动画

空间站舱外机械臂其实是一个自由活动的机器人,它一端连接在空间站舱壁,另一端可以抓取几十吨的重物,也能完成像拧螺钉这样的精细活儿。通过安装在机械臂关节上的摄像机,人们可以仔细检查空间站外部是否有故障或者破损,同时更换或维修相应部件。在航天员出舱工作的时候,机械臂还能更快地运送人员,并配合航天员完成太空行走工作。

机械臂配合宇航员工作

中国天宫空间站天和核心舱的小柱段底部就安装了一条这样的机械臂,它的展开长度达10.2米、有2段长的臂杆和7个活动关节,具备7个自由度,甚至比人的胳膊还灵活;机械臂自身质量为738千克,却能承载25吨重的物体,因此被许多网友尊为“牛臂”。

中国“牛臂”

“牛臂”之牛绝不只体现在“大力出奇迹”上,中国机械臂不仅能扳动几十吨重的实验舱、辅助航天员太空行走,它还能根据任务要求全自动地在空间站外“爬行”转移,抵达空间站的任何位置完成工作。

机械臂舱外“爬行”

空间站机械臂的“爬行”动作很像一种飞蛾的幼虫尺蠖[chǐ huò],尺蠖在爬行的时候先是尽量伸长躯体、固定前足、弓起身体后足着地、然后再伸展身体,如此往复。凭借这一技能尺蠖可以爬得很快,至少比其它大多数毛毛虫要快许多。

尺蠖在爬行

与其说机械臂在太空移动是借鉴了尺蠖爬行的仿生学原理,倒不如说它更像一个两条腿的分规。你需要先将一条腿“钉”在地板上再移动另一条腿去寻找下一个支点。

分规

机械臂的支点在哪里呢?它就是空间站表面事先安装好的“锚点”,中国空间站表面的“锚点”被称作适配器。机械臂的每一次移动都需要先找到适配器的位置,将插头连接到适配器上,再松开另一个插头往前“走”。

空间站外的机械臂适配器

中国机械臂的两端各有一个插头,它的学名是“末端执行机构”,相当于机械臂的“手”。说起机械手,我们通常想到的会是这个样子:

“机械手”

它像人手那样灵活,有手指有关节,可以执行一些精细复杂的操作,类似的机械手还经常出现在各种科幻电影里。

电影里的机械手

人类的手指是如此灵巧,几十年来科学家们一直试图将机械手做成人手的样子,但很可惜到目前为止还没有一个国家能做到。

中国空间站机械臂的“手”(末端执行机构)实际上是下面这个样子:

机械臂末端执行机构与适配器

眼尖的朋友会发现它似曾相识。没错,国际空间站上的“加拿大臂2”也是长得差不多样子。

国际空间站上安装了好几条机械臂,它们被称为“空间站远程操纵器系统(SSRMS)”其中最大的一条是“加拿大臂2(Canadarm2)”,加拿大臂2是2001年4月发射的国际空间站第二代机械臂,它长17.6米,总质量1800千克,7关节7自由度,可以拖动116吨的荷载。由于它两端的执行机构(LEE)完全相同,因此也能在空间站表面做“爬行”转移动作。

加拿大臂2也是通过安装在国际空间站舱段表面的适配器进行连接,但它很少做“爬行”动作。空间站许多地方没有PDGF适配器,离开了这种适配器,机械臂就无法得到供电,也没办法做到观察和操纵,因此加拿大臂2平时都是固定在一个轨道车上,然后在ISS主桁架108米长的轨道上滑行,这样可以确保它的操作范围覆盖国际空间站的大部分区域。

加拿大臂2在ISS轨道上滑行

中国机械臂之所以采用加拿大臂2相似的方案,最主要的原因是在目前技术条件下,采用钢丝套索的抓取机构仍然是可靠性最高、故障率最低的选择。

LEE通过钢丝拉紧对接

有些人根据机械臂的外形以及对接原理的相似性来下结论,认为中国空间站机械臂是抄了加拿大人的“作业”,并且中国机械臂更短更轻,携带的负载更小,于是说“牛臂不牛”。这其实有失偏颇。

从技术路线上看,二者结构相仿;对比数据,中国机械臂也不够亮眼。但加拿大臂能完成的工作我们都可以做到,中国机械臂可以通过将两套臂连接扩展到15米范围,所谓的116吨荷载能力在ISS上其实并不实用。并且中国机械臂在操控性能上强于国际空间站上所有机械臂,这说明我们在借鉴的基础上有所发展。

加拿大臂2的控制系统

加拿大臂虽经多次升级,依然无法做到自动化。中国机械臂不仅操控更简单,能在空间站和地面控制中心进行操作,同时它还能按照设定的程序自主完成一些动作,从而大幅度减轻航天员的工作强度。从这个角度看,我们在技术上也是不乏亮点的。

与某些“中国X方网友”不同,美国人倒是没说中国机械臂抄袭了加拿大的“作业”,面对中国空间站,他们更多地是感到紧张,有压迫感。因为国际空间站一天天在老化,看不到更新的希望,连给机械臂换个零件的机会都已经很渺茫。万一哪天加拿大臂2出故障,那才是国际空间站的大麻烦。

带“剪刀”的中国机械臂

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责任编辑:谭杰_NBJS15424
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