空间站机械臂如何发挥“一臂之力”？一起来了解_空间站机械臂原理

机械臂作为空间站的重要组件，是协同人类完成各种复杂操作的重要帮手。2022年1月6日，中国空间站机械臂转位货运飞船试验取得圆满成功，这是我国首次利用空间站机械臂操作大型在轨飞行器进行转位试验，验证了空间站舱段转位技术和机械臂大负载操控技术，为空间站在轨组装建造积累了经验。今天，我们一起深入了解机械臂在空间站任务中的重要作用。

舱段辅助转位

机械臂通常由多个关节和臂段组成，这些部件具有高强度和轻量化的特性，能在太空环境中承受重量，减少对航天器的负荷，其关节和臂段通过液压、电动或气动执行器实现运动，以提供足够的力量和稳定性。空间站机械臂有7个自由度和7个关节，可实现类似人类手臂的运动能力，与实验舱上的小机械臂形成组合臂后，可达14个自由度，工作起来更加灵活便捷。目前，机械臂没有配备可以用来抓握物体的机械夹爪或抓手，而是使用一组形象酷似插头的末端执行器进行目标抓捕。在首次货运飞船转位试验中，空间站机械臂正是将末端执行器与核心舱舱体表面的目标适配器进行对接，再爬行至位于节点舱附近的停泊口后，最终成功捕获天舟二号的适配器，从而顺利完成辅助转位。

△空间站机械臂转位货运飞船试验

载重与搬运

机械臂具有强大的载重能力和精确的搬运能力，这项基本能力为各类任务提供了必要的保障。空间站核心舱上的大机械臂由两根臂杆组成，展开长度可达10.2米，重量约0.74吨，采用了大负载自重比设计，负重能力高达25吨，可将物体从一个地点移至另一地点，有效配合航天员开展舱外活动、空间站平台维护及有效载荷运输等任务。

△中国空间站机械臂结构示意动画

航天员舱外活动支持

机械臂可用于支持航天员进行舱外活动，包括在舱外进行航天器维护、安装和维修。在舱外执行任务时，重达上百公斤的舱外航天服会限制航天员的活动能力。为减少体力消耗，航天员借助机械臂可完成舱外转移，并在微重力环境中进行精确操作。如此一来，便可以极大地减少航天员的工作量。目前，空间站机械臂作为航天员乘组出舱活动的得力助手，配合完成了全景相机抬升、舱外相关设备及装置组装、核心舱太阳翼修复试验等既定任务，在支持中国航天员出舱活动中发挥了重要作用。

△航天员在机械臂辅助下开展舱外活动

设备转移、安装、更换

以及舱外维修

机械臂可以代替航天员进行设备安装及维修更换工作，可以极大地减少航天员出舱作业的次数和时间，从而提高航天员在太空中的安全保障。机械臂也可以转运天舟货运飞船中的货物。天舟货运飞船有开放式非加压货舱构型，机械臂可以协助航天员转移天舟货运飞船内的货物。在空间站舱外维修中，机械臂也发挥了“一臂之力”，它可以作为航天员和大型构件的支撑平台，协助完成舱外复杂任务，有效提高维修效率。2023年12月21日，神舟十七号航天员首次出舱，汤洪波登上机械臂，转移至核心舱太阳翼的相关作业点位，进行巡检和修复作业。在空间站机械臂和地面科研人员的配合下，神舟十七号乘组对天和核心舱太阳翼的正面和外侧面进行观察、拍照记录和试验性修复等工作。

△汤洪波登上机械臂转移至核心舱太阳翼的相关作业点位

捕获悬停航天器

机械臂能够安全、准确地捕获和固定悬停的航天器，为后续操作、维修或回收提供支持。例如后续将发射与空间站组合体共轨飞行的“巡天”光学舱，在需要对其进行维护、部件替换升级等工作时，机械臂便可对其进行抓取，使其与空间站进行对接，以便航天员对其进行检查、维护。而通过在末端执行器上安装相应的任务模块（如机械抓手），机械臂也可以抓取太空中的其他航天器。

△机械臂捕获悬停的航天器并协助其与空间站对接示意图

舱外状态监视

要想让空间站长期在轨稳定运行，空间站舱外状态监视不可或缺。机械臂末端执行器配置有光学相机，可以直接对空间站舱外进行成像。得益于机械臂的长度和“爬行”功能，核心舱大机械臂可以实现对空间站舱外大多数位置的监视，从而帮助航天员和地面控制人员直观准确地了解空间站各个舱段的外部设备的状态。除了进行空间站本身状态的监测外，机械臂的相机也可以监测太空环境，如空间碎片以及外来航天器等。2023年4月24日，在八个中国航天日到来之际，中国空间站推出独家直播《天宫之镜》，小臂肘部相机还从多个角度带着大家巡游了中国空间站与地球。

△机械臂巡检空间站

△小机械臂视角下的蔚蓝星球

空间科学实验支持

机械臂也可以提供空间科学实验支持，减少航天员出舱次数和工作量。2023年6月9日-10日，空间站梦天实验舱空间辐射生物学暴露实验装置经由机械臂抓取从货物气闸舱出舱，经过中转位，顺利安装至既定的舱外暴露平台，装置开机工作正常。这是我国首次开展舱外辐射生物学暴露实验，对辐射生物学和空间科学研究具有里程碑式意义。

△空间辐射生物学暴露实验装置出舱准备工作

△载荷出舱

△机械臂助力载荷出舱

“一臂之力”

助力空间站平稳运行

未来

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