升級(jí)版加拿大機(jī)械臂

□ 賀棚梓

加拿大航天工業(yè)有一項(xiàng)獨(dú)門秘技，就是研制太空機(jī)械臂。從航天飛機(jī)到國際空間站，加拿大研制的機(jī)械臂為人類的太空活動(dòng)立下了汗馬功勞。

制造這些機(jī)械臂的，是一家名叫“麥克唐納?特拉華與聯(lián)合會(huì)有限公司”的企業(yè)，不過很少有人用這么拗口的全名稱呼它，而是直呼它大名鼎鼎的簡(jiǎn)稱——MDA公司。眼下，MDA公司正在為加拿大航天局研制最新一代機(jī)械臂，稱為“下一代加拿大機(jī)械臂”，簡(jiǎn)稱NGC。

MDA公司為航天飛機(jī)所提供的是第一代機(jī)械臂，而工作在國際空間站上的是第二代機(jī)械臂“德克斯特”。我們經(jīng)常可以看到“德克斯特”抓住貨運(yùn)飛船，把它安裝到對(duì)接口上的照片。實(shí)際上，“德克斯特”在空間站建設(shè)期間也發(fā)揮了很大作用。

那么NGC又是為誰服務(wù)的呢？其實(shí)，NGC在很大程度上是2008年金融危機(jī)的產(chǎn)物。

NGC的立項(xiàng)

2007年11月，14個(gè)國家的航天局簽署了全球探索戰(zhàn)略框架協(xié)議。需要指出的是，中國雖然也是簽約國之一，在實(shí)際成立全球空間探索協(xié)作組的時(shí)候，卻被美國運(yùn)用影響力排除在外。加拿大根據(jù)這個(gè)協(xié)作組的工作框架，制定了自己的戰(zhàn)略探索計(jì)劃，進(jìn)而建立了“探索核心計(jì)劃”。

在研究全球探索戰(zhàn)略之后，加拿大具體提出了自己具有專長的8個(gè)領(lǐng)域，分別是先進(jìn)漫游車和自主電動(dòng)車輛、用于科考和當(dāng)?shù)刭Y源利用的先進(jìn)挖掘與鉆探技術(shù)、用于在軌和著陸操作以及表面導(dǎo)航和科學(xué)的動(dòng)態(tài)影像技術(shù)、機(jī)器人操縱與先進(jìn)工具、行星表面設(shè)施與設(shè)備間的通信技術(shù)、長期太空飛行的生命支持技術(shù)、長期任務(wù)期間保持航天員健康與福利的醫(yī)療系統(tǒng)、部分行星科學(xué)、生命科學(xué)與天文學(xué)的科學(xué)設(shè)備、支持載人飛行的地面控制設(shè)備。

針對(duì)這些領(lǐng)域，加拿大航天局很快提出了探索核心計(jì)劃的三大行動(dòng)，首先是明確需求，其中包括數(shù)據(jù)分析和概念研究；然后是基礎(chǔ)設(shè)施建造與部署，包括模擬試驗(yàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室與總裝設(shè)施、運(yùn)行中心；最后是樣機(jī)研制和地面模擬任務(wù)部署，其中包括科學(xué)設(shè)備的研制。當(dāng)時(shí)的計(jì)劃中還沒有考慮NGC的研制。在此期間，加拿大航天局獲得了一些與月球車乃至火星車相關(guān)的合同，研制內(nèi)容包括導(dǎo)航設(shè)備、態(tài)勢(shì)感知設(shè)備等，尤其是獲得了歐空局的火星探測(cè)計(jì)劃里火星車上的當(dāng)?shù)刭Y源利用移動(dòng)平臺(tái)模擬任務(wù)合同。

加拿大航天員克里斯·哈德菲爾德參觀新一代加拿大機(jī)械臂

可以用于衛(wèi)星在軌修理的小加拿大機(jī)械臂

但是2008年金融危機(jī)的爆發(fā)，促使西方各國政府紛紛出臺(tái)自己的經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃。2009年，加拿大政府的經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃向加拿大航天局增加提供1100萬美元經(jīng)費(fèi)，在探索核心計(jì)劃框架下啟動(dòng)兩個(gè)新的項(xiàng)目，一個(gè)是探索表面機(jī)動(dòng)能力。探索表面機(jī)動(dòng)能力項(xiàng)目要求研制月球漫游車和火星漫游車各一臺(tái)，并研制攝像機(jī)、機(jī)械手、鉆探工具等設(shè)備，并實(shí)施模擬人物。這個(gè)項(xiàng)目我們?nèi)蘸笤俦?。還有一個(gè)項(xiàng)目就是NGC

伸展長度15米的新一代加拿大機(jī)械臂

為測(cè)試新一代加拿大機(jī)械臂，加拿大航天局設(shè)計(jì)建造了所謂的半自主交會(huì)對(duì)接裝置

用于測(cè)試新一代加拿大機(jī)械臂的虛擬操縱裝置

用于模擬接近操作的設(shè)備，可以用來試驗(yàn)新一代加拿大機(jī)械臂

加拿大機(jī)械臂2號(hào)捕獲美國的“龍”飛船

NGC的組成

現(xiàn)在來看看NGC的主要內(nèi)容。

NGC由4臺(tái)原型機(jī)和1個(gè)任務(wù)控制站組成。主臂的長度為15米，用于裝備未來的較小型航天器。副臂長2.5米，配備有一套復(fù)雜的工具，可以用來在軌維修衛(wèi)星。

一個(gè)用來模擬交會(huì)動(dòng)作的試驗(yàn)臺(tái)，可以模擬兩個(gè)航天器在空間的接近動(dòng)作。

衛(wèi)星對(duì)接設(shè)施，用來試驗(yàn)兩個(gè)航天器最終對(duì)接到一起的操作。

一個(gè)用來遙控操作NGC各系統(tǒng)的任務(wù)控制站。

我們先來看15米長的主臂，它可以折疊起來，用“未來的較小型航天器”運(yùn)輸。加拿大航天局并沒有在此指出這種“未來的較小型航天器”的名字，但在此前的報(bào)道中，NGC的首選搭載平臺(tái)就是美國在研的“獵戶座”飛船。主臂也是NGC組成部分中體積最大的。它伸展開以后，和加拿大臂二號(hào)一樣長，但更輕一些，折疊起來的尺寸也更小。主臂采用伸縮式臂節(jié)，完全折疊后可以存放在一個(gè)不超過5立方米的空間里，差不多是一輛微型轎車的大小。它有6個(gè)自由度，可以用來執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，例如抓住大型航天器并與之對(duì)接，然后補(bǔ)充燃料。

2.5米小型機(jī)械臂的實(shí)際伸展長度是2.58米，與國際空間站使用的“德克斯特”機(jī)械臂近似。加拿大航天員克里斯?哈德菲爾德曾經(jīng)在參觀MDA公司時(shí)見到了這個(gè)小型機(jī)械臂。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則采用了小型、輕質(zhì)、靈巧的機(jī)器人設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的點(diǎn)子、軟件和控制系統(tǒng)，可以給在軌衛(wèi)星補(bǔ)充燃料，也可以在軌更換一些失效零件。例如，移除和安裝一些零件，移除衛(wèi)星的防護(hù)膜，切割電線，開關(guān)燃料閥，在服務(wù)航天器和被服務(wù)航天器之間轉(zhuǎn)移燃料。當(dāng)然，如果要移除和安裝零件，這些零件必須設(shè)計(jì)成在軌可更換單元。

模擬交會(huì)的試驗(yàn)臺(tái)由兩臺(tái)工業(yè)級(jí)機(jī)器人系統(tǒng)組成，可以模擬兩個(gè)在軌飛行器小心翼翼靠近的過程。在航天器對(duì)接過程中，最后幾米距離是非常驚險(xiǎn)的。為了模擬這種過程，試驗(yàn)臺(tái)可以真實(shí)地模擬實(shí)際尺寸航天器，包括真實(shí)的照明條件和攝像機(jī)視野。

兩個(gè)航天器接近的過程中，服務(wù)航天器上的機(jī)械臂可以抓住被服務(wù)航天器，使兩者對(duì)接，并開展維修工作。當(dāng)然，操作員也可以控制服務(wù)航天器直接與被服務(wù)航天器對(duì)接而不借助機(jī)械臂。

NGC項(xiàng)目中也包括了一個(gè)稱作半自主對(duì)接系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)施?？梢阅M兩個(gè)航天器對(duì)接的各個(gè)步驟。當(dāng)兩個(gè)航天器接近的時(shí)候，此系統(tǒng)可以接管控制權(quán)，引導(dǎo)其中一個(gè)航天器實(shí)施一系列機(jī)器人操作，直至兩個(gè)航天器最終對(duì)接。

上面所說的四個(gè)部分都要靠任務(wù)運(yùn)行站來控制。

加拿大負(fù)責(zé)NGC的官員卡隆說，我們已經(jīng)有一種新的機(jī)械臂了，我們現(xiàn)在需要一次任務(wù)

推測(cè)NGC的未來

應(yīng)該說，NGC的立項(xiàng)，是西方載人航天活動(dòng)數(shù)十年積累的產(chǎn)物。沒有從航天飛機(jī)到國際空間站的投入和實(shí)踐，是不可能催生NGC的。但隨著載人航天活動(dòng)陷入迷茫，國際空間站將在2020年到壽，后續(xù)的經(jīng)費(fèi)和任務(wù)仍在討論中；而美國的下一個(gè)載人航天飛行目的地一直在反復(fù)搖擺。依附于載人航天而存在的加拿大機(jī)械臂技術(shù)將何去何從？

MDA公司為此提出的對(duì)策，是把NGC作為未來在軌服務(wù)的一部分。我們?cè)谇拔闹幸呀?jīng)指出，NGC可以用來實(shí)施衛(wèi)星維修、在軌燃料補(bǔ)給等任務(wù)。這是近年來國際航天界熱烈討論的話題，而MDA公司借助NGC，已經(jīng)走在了前面。