双首次！中国空间站新年开展新试验

文/兰顺正

2022年1月6日，中国天宫空间站机械臂转位货运飞船试验顺利完成；1月8日上午，神舟十三号飞船航天员乘组在地面科技人员的密切协同下，在空间站核心舱内采取手控遥操作方式，圆满完成了天舟二号货运飞船与空间站组合体交会对接试验。以上两次试验都属中国首次，对于今后中国空间站的运营以及太空事业的发展都有着重大意义。

太空中的“大力士”

▲ 天舟二号货运飞船在机械臂拖动下进行平面转位

空间站机械臂本质上就是智能机器人，具备精确操作能力和视觉识别能力。对于空间站而言，机械臂是非常重要的设备，不仅可以用来辅助航天员进行一些舱外作业（例如设备安装和维修等），还可以通过舱内遥控的方式独立工作。而通过机械臂系统对悬停航天器进行捕获，空间站与其他航天器对接的难度可以在一定程度上降低，还能调节飞船所使用的对接舱口，发挥关键作用。因此，目前天宫空间站与国际空间站上都可以看到机械臂的身影。

天宫空间站装备的机械臂由中国自主研发，凝聚了科研人员大量心血。以此次参与试验的天宫空间站主机械臂为例，长约10米，质量738千克，承载能力25吨，即能够安全地对重达25吨的飞船进行转移，其负载自重比、操控精度等指标均达到世界领先水平，且全部核心部件实现国产化，可靠性高。据悉，其电机系统进行了上亿验证测试。

▲ 天舟二号货运飞船与天和核心舱解锁分离

▲ 天舟二号货运飞船与天和核心舱重新对接并完成锁紧

这款机械臂肩部有3个关节，能执行俯仰、偏航、回转操作，2个臂杆之间的肘部还有1个俯仰关节，机械臂末端腕部又配置3个关节，功能与肩部的3个关节一样。这样一来，该机械臂和人类手臂一样，拥有7个自由度，在太空中进行作业时非常灵活，甚至可以头尾互换。

与国际空间站的加拿大机械臂类似，天宫空间站主机械臂首尾两端各有1个末端执行器，而肩部末端执行器、腕部末端执行器都可以通过目标适配器实现与舱体的对接、分离，进而在空间站舱体外表面进行“爬行”，灵活变换部署位置，以适配不同的任务。

相比于国际空间站，中国空间站在设计上为机械臂预留了足够的接口，可以在最大程度上发挥出机械臂的“爬行”效果。另外，为了增强环境信息感知能力，核心舱机械臂在肩部、肘部、腕部3处位置各配置1台视觉相机，其中，肩部与腕部的视觉相机是双目手眼相机，可以在10米范围内呈现出人眼立体成像效果，助力机械臂精准操控。

在1月6日试验中，天宫空间站主机械臂移动至核心舱小柱段第三象限目标适配器对接，而后，机械臂另一端与天舟二号货运飞船前锥段目标适配器对接，完成对接后，天舟二号货运飞船与核心舱解锁分离。随后，在机械臂拖动下，该飞船以节点舱球心为圆心，向第四象限方向进行平面转位，转位角度为20度，转位到位后，再反向操作，直至天舟二号货运飞船与核心舱前向对接口对接并完成锁紧，转位试验任务完成。

据悉，为了防止对机械臂造成损伤，科研人员对此次转位试验进行了周密安排。在转位试验开始之前，先把天宫空间站四舱（船）组合体“立起来”，即核心舱前向端口朝向天顶方向，后向端口朝向地心方向；然后，以核心舱纵轴为轴，旋转90度，使核心舱太阳翼与运行轨道处于同一平面，将气动扰动降到最低。这样，空间站会像钟摆一样形成重力梯度稳定，在任务实施过程中，即便组合体摆动，也会回归到纵轴初始位置。

一些航天爱好者可能觉得，此次试验只进行了20度转位，“不过瘾”。选择这个角度是有原因的：在转位过程中，天舟二号货运飞船与空间站核心舱太阳翼在同一平面内交叉，为了防止太阳翼碰撞，只能进行小角度转位。其实，就转位的技术难度而言，20度与90度的实际需求没有本质区别，达到试验效果即可。

另外，由于在空间站核心舱与飞船相对运动的过程中需要处置相对速度（包括线速度、角速度）、相对位置等方面的问题，试验需要逐步推进。而且，每进行一步操作，地面控制中心都需要核实试验执行状态，因此转位过程被分解成多个动作。再加上在开始和结束阶段，飞船与空间站核心舱分离解锁、对接锁紧都是比较缓慢的过程，这就解释了为什么整个过程只有20度的“来回”，却耗时47分钟。

值得注意的是，除了在此次试验中崭露头角的主机械臂外，天宫空间站还将装有其他类似系统，如计划于今年发射的问天号实验舱机械臂系统、实验舱转位机械臂等。

相关资料显示，实验舱机械臂主要用于暴露平台的载荷照料，如载荷的安装、回收、更换等操作，也能用于支持航天员舱外活动以及舱外设备巡检、大型载荷搬运等工作。该机械臂还可以与空间站主机械臂直接对接，形成长达15米的超长机械臂，并利用空间站核心舱机械臂“爬行”功能，实现对空间站外表面的“全触达”。

转位机械臂由转臂与基座两部分组成，转臂安装在实验舱对接面，由肩关节、转臂、腕关节组成，基座则安装在核心舱节点舱两侧，二者通过锥形捕获机构连接。通过腕关节，可实现实验舱与核心舱之间的相对转动。肩关节则帮助完成实验舱与转臂之间的相对转动。由于转位机械臂控制精度更高，可以大幅度降低异体同构周边对接装置的推力负荷，且转位机械臂结构简单，工况可靠性更高，为求“万无一失”，天宫空间站实验舱对接任务将由转位机械臂来完成。

另有分析称，未来天宫空间站还有可能应用曾由天宫二号空间实验室在轨验证过的机械手系统。该系统由五指仿人灵巧手与六自由度机械臂组成，并辅以视觉测量系统，由航天员在轨操作，可以跟随航天员肢体同步运作，目的是替代航天员执行舱外任务，以大大减轻航天员出舱任务负荷，并提高安全性。在轨验证期间，该机械手连续执行了拆卸电连接器、撕开多层防护材料、使用电动工具拧松螺丝等模拟维修操作，还成功抓取空中漂浮物。可以预见，未来在天宫空间站任务中，此类系统必将大放异彩。

安全对接的重要保障

航天器交会对接方式可分为自动交会对接和航天员手控操作交会对接。自动交会对接是通过追踪航天器上的控制系统自动完成，航天员及地面人员对交会对接过程进行状态监视，起到辅助作用。手动交会对接是指由航天员使用飞船上的手动交会对接系统，发送控制指令，手动控制、追踪航天器完成交会对接任务。

在载人航天器上，航天员可以直接参与对航天器的控制，手动交会对接可以作为主要的交会对接方式，也可作为自动交会对接的备份。至于无人航天器，如货运飞船、空间站实验舱等，无法实现手动交会对接，所以一般采用自动交会对接方式。不过，一旦自动交会对接系统出现故障，无人航天器可能不得不放弃整个交会对接任务，这将造成巨大的经济损失和社会影响，甚至个别情况下还将威胁到空间站的安全。因此，由航天员或地面人员对无人航天器进行远程控制交会对接，即手控遥操作交会对接，具有重要意义。

国际空间站每年都要进行多次交会对接，用于乘员轮换和后勤补给等，这期间就发生过多次交会对接故障，说明当前航天器上的自动交会对接系统并不是极为完善的。目前，手控遥操作是无人飞船的必备功能，也是飞船制导、导航与控制系统的一部分，比如天舟货运飞船就具有手控遥操作交会对接功能，作为自动交会对接的备份手段。

▲ 航天员手控遥操作交会对接

虽然无人飞船的手控遥操作对接与载人飞船的手控操作对接类似，但在具体操作层面仍有区别，毕竟无人飞船有特殊之处。一方面，由于载人飞船和货运飞船的吨位不同，货运飞船往往更重，二者在操作的响应速度和运动的敏捷性方面也不同，就如同开轿车和开货车的区别。另一方面，由于航天员身处飞船外部进行遥控，容易造成航天员反应、执行指令延时，这种延时在其他场合或许影响不大，对于飞船对接这样好似“穿针”的精细活却可能“谬之千里”。

而中国航天科技集团五院的研制人员在方案阶段就综合考虑了以上问题，结合现有技术基础和未来发展使用需求，通过创新设计，实现了长延时条件下的精确控制，在对航天员的培训中也针对相关差异进行了专门训练。

目前航天器实现人控遥操作交会对接主要有3种方式。第一种是目标航天器（如空间站）上的航天员对追踪航天器进行交会对接遥操作控制，遥操作摄像机和交会对接灯安装在目标航天器上。第二种仍是目标航天器上的航天员对追踪航天器进行交会对接遥操作控制，但遥操作摄像机和交会对接灯安装在追踪航天器上。第三种是地面操作人员对追踪航天器进行交会对接遥操作控制，遥操作摄像机和交会对接灯一般安装在追踪航天器上，由地面控制中心根据下行的交会对接图像控制追踪航天器逐步接近目标航天器。

▲ 货运飞船与空间站组合体精准完成交会对接

据悉，1月8日试验采用了第二种方案。整个“驾驶”过程中，航天员的视角是从飞船“看”向空间站的，就好像航天员坐在货运飞船里驾驶一样。而航天员面对的仪表系统、操作手柄等跟此前在神舟飞船上实施手控交会对接时的大同小异，如此便最大限度地降低了航天员的训练难度，减轻了操作和识别方面的负担。在此次试验中，神舟十三号飞船航天员乘组在核心舱发出控制指令，让天舟二号货运飞船先与核心舱分离，航天员再手动控制货运飞船的位置和姿态，撤到前向的一定距离，再次控制它进行对接，一直到锁紧完成。

在轨试验意义重大

新年伊始，中国空间站先后成功完成不同试验，必将为空间站建设、运营奠定良好基础。

众所周知，今年中国天宫空间站全面进入在轨建造阶段，20吨级大型实验舱问天号与梦天号将陆续发射，执行在轨建造组装任务。可以预计，空间站机械臂转位功能届时就要派上用场。虽然首选方案应该是利用实验舱转位机械臂实施对接、转位，但由于任务执行过程较为复杂，且实验舱转位事关空间站建造任务的成败，必须配置冗余备份手段，空间站主机械臂就承担了这一职能。

另一方面，空间站主机械臂转位试验也为后续在轨捕获其它航天器、辅助对接验证了相关技术能力。目前神舟飞船与天舟飞船都具备自主对接能力，不需要空间站机械臂辅助对接，但空间站每次补给、运输任务不必完全依靠大运载量的天舟飞船，后续空间站很可能将有其他中小型货运飞船对接需求，而此类飞船为了降低货船干重和成本、提高运载效率，往往会简化对接机构，届时就需要用到空间站机械臂了。

中国航天员首次在轨利用手控遥操作设备，控制货运飞船与空间站进行交会对接，飞船制导、导航与控制系统表现优异，初步验证了空间站与来访飞行器手控遥操作系统的功能、性能，体现了天地间协同工作程序的合理性，为今后中国的空间站建设、运营铺平了道路。