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中国空间站机械臂没有手,它如何抓起25吨的飞船?

中国天宫空间站核心舱的主机械臂长为10.2米,总质量738千克,有7个关节和7个自由度,不仅比人的手臂灵活,它还能够对接并移动重达25吨的物体。

说起机械手,我们最先想到的常常是一个人手模样的机器,它应该有手指,能完成精巧的操作。至少它会装一副钳子,可以夹起和搬运沉重的物体。

但是细心的小伙伴们注意到,中国机械臂并没有一个可以用来抓握物体的机械手,那么它是怎么抓住二十几吨重的飞船并且将其与空间站对接的呢?

中国空间站机械臂

从载人航天科普展览已经公开的天和核心舱机械臂缩比模型看,中国空间站机械臂的两端看起来像一组超大号插头――这组被称为“末端执行器”的东西就是机械臂的“抓手”,当然,它不是什么都能抓,而是只能与相应规格的“适配器”结合才能完成抓取动作。

在天和核心舱、天舟货运飞船、神舟载人飞船以及未来的“梦天”、“问天”实验舱的表面,都布置了若干个这样的适配器。

天和核心舱外的机械臂适配器

从天和核心舱公开照片看,位于小柱段的适配器与国际空间站有相似之处,它的中间都立着一根“铁钉”状的金属柱,金属柱旁边有三个倾斜的金属块,再往外是四片白色长方块。

国际空间站外也有多个适配器

在所有的对接过程中,机械臂“抓”的就是适配器中间的那根钉子(抓斗销)。

我们已经介绍过了,机械臂没有手,也没有爪子,它怎么才能准确把握住这枚钉子呢?这首先需要靠机械臂头部的摄像机帮忙。操作员先将摄像机对准适配器上的瞄准点(天宫空间站是几个白点中部的凸起部位,国际空间站是白色十字中心),再小心操控机械臂慢慢靠近它,这样基本就能保证钉子处在可“把握”的范围。

机械臂摄像机与适配器上的瞄准点

末端执行器中部圆筒里边有三根钢丝,钢丝两端分别固定在内外两个套筒上,其长度大约是套筒内径大小。内筒旋转一定角度时,钢丝绷紧,从而达到将钉子“抓握”在中心的效果。

机械臂依靠收紧钢丝“抓握”

三根钢丝“握住”适配器的钉子后,内套筒向回收,将限位器拉进执行器的凹槽内,实现两器结合。

末端执行器与适配器结合

完成这一步之后,机械臂就能进行对目标飞行器的推拉和转位动作,但是三根钢丝的紧固力量毕竟有限,对付龙飞船这样的飞行器还行,对接转移更重的航天器就有些力有不逮了。

这时候我们需要用到末端执行机构的四个卡扣锁紧装置,同时在适配器相应位置也要开槽。

末端执行器依靠四个卡扣锁紧

你看到天和核心舱适配器边上那4个白色长方块,就是固定装置开孔的盖板,用来保护内部的夹具和电气插座。

机械臂在核心舱和实验舱上“爬行”,我们首先需要保证向它提供可靠的供电,同时数据传输和视频监视的信号不能中断,供电和信号都通过适配器插座与机械臂连接。

卡扣中间藏着供电和数据插头

由于许多货运飞船不具备自主对接能力,国际空间站的机械臂成了不可或缺的装备。它不仅需要抓住靠近的飞船以帮助对接,还要辅助宇航员完成出舱行走、移动物品和空间站维护。

中国天宫空间站上的机械臂所做的事情与国际空间站近似。中国机械臂在尺寸和重量上要小一些,但操纵更简单也更加智能,不仅从空间站和地面都能便捷操控,它还能根据指令自主移动到指定位置协助完成任务。

中国机械臂操控更便捷、智能

机械臂没有“手”,它通过三根钢丝和卡扣来捕获和锁定飞船,只要机械臂保持轻柔与缓慢的运动速度,它就能拖动庞大沉重的飞船。25吨?那都不是事儿,轻轻一抓就转起来!

别看美国造出过航天飞机,国际空间站的大部分构件也由美国主导,但二十多年来美国没有一条机械臂在太空服役。中国不仅造出了功能完备的空间站,机械臂技术也已经超越了加拿大,从这一点看,我们比美国强。

机械臂抓取并转移货运飞船