机器人上演太空加油秀

2013-05-16□陈杰陈菲

太空探索 2013年3期

□ 陈杰陈菲

2013年1月14日～25日，美国航宇局（NASA）和加拿大航天局在国际空间站上成功完成了“机器人燃料加注任务”（RRM）技术演示验证的第三项重要试验，即在轨加注模拟乙醇燃料。这是NASA继2012年3月和6月先后完成开启RRM工具启动锁切割卫星锁线和拆除模拟卫星冷却剂气体设备试验之后，在RRM中取得的又一重要进展，标志着美国在机器人燃料加注技术方面获得了新的突破。

在太空表演的明星们

用于RRM技术演示验证的试验设备主要由两个部分组成，即RRM模块和专用灵巧机械臂。

RRM模块质量约250千克，呈立方体形状，长、宽、高的尺寸分别为1.14米×0.84米×1.09米。RRM内部装有四种专用工具和存放于贮液器中用于验证在轨流体传输的1.7升模拟乙醇燃料。RRM模块上还装有用于试验的模拟卫星隔热毡、安全螺栓和螺帽、燃料阀门等试验部件，其中燃料阀门与RRM流体传输系统相连。

四种RRM专用工具安放在RRM模块内部，每种工具的质量约为7.5千克。第一种称为锁线切割器和隔热毡处理工具，该工具用于切割模拟卫星锁线和隔热毡，并可移动和处理易损的隔热毡。第二种称为多功能工具，可以开启其他工具气动锁、拆除燃料阀门螺帽、将拆除的螺帽放入RRM模块中以及拆除冷却剂气体设备等。第三种称为安全螺栓工具，利用该工具可以拆除、安装燃料阀的安全螺栓并对阀门进行密封。第四种称为连接管工具，该工具可与模拟卫星燃料阀连接，开启和关闭燃料阀门，完成模拟乙醇燃料的传输。传输结束后，该工具会在模拟卫星燃料阀上安装“快速开启断开”装置，以便将来再次进行燃料加注。

这四种专用工具都配有发光二极管摄像机，能够确保地面控制人员监视实际的操作情况。四种专用工具均由NASA戈达德航天飞行中心研制。

安装在国际空间站外部的RRM模块

RRM连接管工具

RRM多功能工具

RRM锁线切割器和隔热毡处理工具

“专用灵巧机械臂”和“移动遥控服务基座”以及“遥控操纵系统”组成国际空间站的双臂机器人系统，该机器人系统是加拿大航天局参与国际空间站的主要项目。其中“专用机械臂”承担了本次演示验证任务，该机械臂及地面控制设备均由加拿大麦克唐纳·德克威勒公司负责制造，于2008年3月16日安装到国际空间站上，“专用灵巧机械臂”长约3.35米，质量1560千克，操作十分灵活，共有15个自由度。拥有拆装600千克质量物体的能力，其平均功耗和峰值功耗分别为600瓦和2000瓦，机械臂末端有执行机构，能利用4种RRM专用工具完成演示验证所需的各种操作。

在轨加注全程大放送

2013年1月14日～25日，NASA和加拿大航天局利用安装在国际空间站外部的RRM模块工具和“专用灵巧机械臂”完成了向模拟卫星加注乙醇燃料的试验。其试验过程按时间段划分为六个阶段。

第一阶段（14日7时～15日3时）：专用灵巧机械臂抓取RRM锁线切割器工具并将其从RRM工具箱中取出；利用该工具切割模拟卫星燃料阀门螺帽锁线；专用灵巧机械臂抓取RRM工具箱中的多功能工具，将模拟卫星燃料阀门上的螺帽拆除。

第二阶段（14日13时～16日8时）：专用灵巧机械臂利用RRM多功能工具将拆卸下来的螺帽及螺帽适配器安放在RRM工具箱的适合位置；专用灵巧机械臂再次使用锁线切割工具切割安全螺母锁线；完成上述操作后，专用灵巧机械臂将锁线切割工具和多功能工具放回RRM工具箱。

第三阶段（17日13时～18日8时）：专用灵巧机械臂从RRM工具箱中抓取RRM安全螺帽工具；对工具性能进行检测。

第四阶段（22日12时～23日6时）：专用灵巧机械臂利用RRM安全螺帽工具拆除模拟卫星燃料阀门上的保护螺帽；将安全螺帽工具放回RRM工具箱。

第五阶段（23日11时～24日6时）：专用灵巧机械臂从RRM工具箱中抓取连接管工具，RRM项目团队对该工具性能进行检测；将该工具移动至RRM模块外部模拟卫星燃料阀处，该燃料阀称为“铅垂注入/排出阀”；加注准备工作完成。

与RRM多功能工具配合使用的适配器

RRM安全螺栓工具

连接管工具穿入RRM外部模拟卫星燃料阀进行加注

第六阶段（24日15时～25日3时）：连接管工具穿入RRM外部模拟卫星燃料阀即“铅垂注入/排出阀”；位于NASA马歇尔太空飞行中心的操作者向RRM发送精确命令序列启动RRM，RRM通过其流体传输系统和附属燃料阀将液态乙醇传输进入连接管工具，随后再传输回到RRM模块的贮液器中；流体传输完成后，连接管工具使用创新性技术与“铅垂注入/排出阀”断开，即连接管工具将其自身的一部分即“快速开启断开”装置留在“铅垂注入/排出阀”上，为未来的燃料加注连接创造条件；专用灵巧机械臂把连接管工具放回RRM工具箱中，并安装好稳定装置；本次RRM模拟燃料加注演示验证结束。整个燃料传输过程按计划进行，其中有一小部分乙醇和预期的一样喷溅出来，但并不影响试验结果。

NASA称，通过本次试验，验证了配备有精密工具、采用新型燃料传输系统以及精心设计程序的机器人遥控技术。证明“不具备专门在轨燃料加注接口”的卫星是可以进行燃料加注的。

机器人的太空表现

RRM技术演示验证是NASA和加拿大航天局的联合演示验证项目，主要任务是利用安装在国际空间站外部平台上的RRM模块和空间站上的加拿大“专用灵巧机械臂”，演示验证燃料在轨加注技术及相关航天器在轨服务技术。与美国开展过的在轨加注技术验证不同，RRM验证的技术用于不具备专门在轨燃料加注接口的卫星，此前进行的技术验证在接受燃料加注的目标星上预先设置了加注接口。由于这种原因，使RRM与之前的验证相比，在燃料加注操作上更加复杂，但验证的加注技术具有更广泛的使用性。

NASA将RRM整个演示验证划分成六个部分即完成六项重要试验。

第一项试验（2011年9月6日～9月7日）：开启了“燃料加注工具（即RRM工具）”启动锁，确保专用灵巧机械臂能够利用RRM工具完成在轨加注演示验证所需的操作。启动锁是保证RRM工具在运往国际空间站期间保持紧固状态的装置。

第二项试验（2012年3月7日～6月22日）：第二项试验分为两步，3月7日～9日完成了第一步即利用专用灵巧机械臂从RRM模块内部取出一种RRM专用工具——锁线切割器，成功切断了模拟卫星上两条直径为0.5毫米的极细锁线，证明利用机器人技术和工具能够在空间进行精细的切割操作。6月19日～22日完成了第二步即利用专用灵巧机械臂抓取RRM工具箱中的另一种专用工具——多功能工具，拆除了模拟卫星的冷却剂气体设备。

第三项试验（2013年1月14日～1月25日）：即向模拟卫星加注模拟乙醇燃料的试验。

按NASA的计划，在2014年3月之前还将完成另外三项试验即第四项切割、处理模拟卫星隔热毡；第五项拆除模拟卫星燃料阀紧固螺栓；第六项拆除电气安全螺帽。这三项试验的具体日期尚未确定。总体上，NASA已经完成了RRM技术演示验证六项试验任务中的前三项。

NASA的RRM旨在验证在轨燃料加注和相关航天器在轨服务技术。期望以此拓展航天器在轨工作寿命，降低全寿命周期成本，提高执行任务的灵活性。由于具有巨大的应用潜力，因此在轨加注和在轨服务技术受到美国军方、NASA和工业界的重视。

国际空间站上的双臂机器人

专用灵巧机械臂抓取RRM锁线切割器工具，准备切割模拟卫星燃料阀门螺帽锁线

NASA于1月完成的乙醇模拟燃料加注试验是“史无前例”的。虽然是作为RRM的第三项试验，但其持续12天的试验过程囊括了RRM已经完成的两项试验内容，即锁线切割和移除燃料阀安全螺帽两项操作。而且本次试验在模拟卫星燃料阀上安装了“快速开启和断开”装置，为下一次燃料加注创造了条件。可以说本次试验的过程是一个较为完整的为“没有专门燃料加注接口”的卫星进行燃料加注的过程，是RRM演示验证的核心部分。目前，NASA戈达德太空飞行中心卫星服务能力办公室正在评估本次试验获得数据。这不仅证明了为“没有专门燃料加注接口”的卫星进行在轨燃料加注的可行性，更是美国在轨加注技术取得了突破性进展的重要标志。

还有更精彩的吗？

在航天器在轨加注和在轨服务技术领域，美国军民两方面采取了多种技术途径。美国军方于2007年开展了轨道快车项目的在轨演示验证，成功的在两个有专用加注接口的航天器之间进行了肼推进剂的传输操作。目前NASA进行的RRM技术验证针对没有专门燃料接口的航天器，其操作更加复杂，技术难度与轨道快车相比要大得多。不仅如此，美国军方还在2011年提出了“凤凰”计划，目的是通过安装功能模块、切割卫星天线等一系列在轨操作实现废弃卫星上可用零部件的重复使用。值得指出的是“凤凰”计划是在军方之前的轨道项目、前端机器人近期演示验证项目基础上发展起来的。总体来看，美国的发展方式是先易后难、循序渐进，较好地遵循了科学技术发展的客观规律。

在轨加注特别是针对没有专用加注接口的航天器进行在轨加注是一项复杂性很高的技术，需要进行长期的技术积累。虽然NASA在这方面取得了显著进展，但距离实际应用还有比较大的距离。首先本次试验是在空间站上进行的，接受燃料加注的模拟卫星固定在空间站外部，提供燃料加注的机械臂也固定在空间站上，这为实施技术验证提供了很大便利。该项技术要真正投入实际应用为在轨运行的卫星实施在轨加注，需要解决与目标星之间的位置保持问题，以及如何切割目标星的隔热毡而不对星体造成破坏等。从“固定靶”到“移动靶”还有很长的路要走。