機械臂作為空間站的重要元件，是協同人類完成各種複雜操作的重要幫手。2022年1月6日，中國空間站機械臂轉位貨運飛船試驗取得圓滿成功，這是大陸首次利用空間站機械臂操作大型在軌飛行器進行轉位試驗，驗證了空間站艙段轉位技術和機械臂大負載操控技術，為空間站在軌組裝建造積累了經驗。今天，我們一起深入了解機械臂在空間站任務中的重要作用。
艙段輔助轉位
機械臂通常由多個關節和臂段組成，這些部件具有高強度和輕量化的特性，能在太空環境中承受重量，減少對航天器的負荷，其關節和臂段通過液壓、電動或氣動執行器實作運動，以提供足夠的力量和穩定性。空間站機械臂有7個自由度和7個關節，可實作類似人類手臂的運動能力，與實驗艙上的小機械臂形成組合臂後，可達14個自由度，工作起來更加靈活便捷。目前，機械臂沒有配備可以用來抓握物體的機械夾爪或抓手，而是使用一組形象酷似插頭的末端執行器進行目标抓捕。在首次貨運飛船轉位試驗中，空間站機械臂正是将末端執行器與核心艙艙體表面的目标擴充卡進行對接，再爬行至位于節點艙附近的停泊口後，最終成功捕獲天舟二号的擴充卡，進而順利完成輔助轉位。
空間站機械臂轉位貨運飛船試驗
載重與搬運
機械臂具有強大的載重能力和精确的搬運能力，這項基本能力為各類任務提供了必要的保障。空間站核心艙上的大機械臂由兩根臂杆組成，展開長度可達10.2米，重量約0.74噸，采用了大負載自重比設計，負重能力高達25噸，可将物體從一個地點移至另一地點，有效配合航天員開展艙外活動、空間站平台維護及有效載荷運輸等任務。
中國空間站機械臂結構示意動畫
航天員艙外活動支援
機械臂可用于支援航天員進行艙外活動，包括在艙外進行航天器維護、安裝和維修。在艙外執行任務時，重達上百公斤的艙外航天服會限制航天員的活動能力。為減少體力消耗，航天員借助機械臂可完成艙外轉移，并在微重力環境中進行精确操作。如此一來，便可以極大地減少航天員的工作量。目前，空間站機械臂作為航天員乘組出艙活動的得力助手，配合完成了全景相機擡升、艙外相關裝置及裝置組裝、核心艙太陽翼修複試驗等既定任務，在支援中國航天員出艙活動中發揮了重要作用。
航天員在機械臂輔助下開展艙外活動
裝置轉移、安裝、更換以及艙外維修
機械臂可以代替航天員進行裝置安裝及維修更換工作，可以極大地減少航天員出艙作業的次數和時間，進而提高航天員在太空中的安全保障。機械臂也可以轉運天舟貨運飛船中的貨物。天舟貨運飛船有開放式非加壓貨艙構型，機械臂可以協助航天員轉移天舟貨運飛船内的貨物。在空間站艙外維修中，機械臂也發揮了“一臂之力”，它可以作為航天員和大型構件的支撐平台，協助完成艙外複雜任務，有效提高維修效率。2023年12月21日，神舟十七号航天員首次出艙，湯洪波登上機械臂，轉移至核心艙太陽翼的相關作業點位，進行巡檢和修複作業。在空間站機械臂和地面科研人員的配合下，神舟十七号乘組對天和核心艙太陽翼的正面和外側面進行觀察、拍照記錄和試驗性修複等工作。
湯洪波登上機械臂轉移至核心艙太陽翼的相關作業點位
捕獲懸停航天器
機械臂能夠安全、準确地捕獲和固定懸停的航天器，為後續操作、維修或回收提供支援。例如後續将發射與空間站組合體共軌飛行的“巡天”光學艙，在需要對其進行維護、部件替換更新等工作時，機械臂便可對其進行抓取，使其與空間站進行對接，以便航天員對其進行檢查、維護。而通過在末端執行器上安裝相應的任務子產品（如機械抓手），機械臂也可以抓取太空中的其他航天器。
機械臂捕獲懸停的航天器并協助其與空間站對接示意圖
艙外狀态監視
要想讓空間站長期在軌穩定運作，空間站艙外狀态監視不可或缺。機械臂末端執行器配置有光學相機，可以直接對空間站艙外進行成像。得益于機械臂的長度和“爬行”功能，核心艙大機械臂可以實作對空間站艙外大多數位置的監視，進而幫助航天員和地面控制人員直覺準确地了解空間站各個艙段的外部裝置的狀态。除了進行空間站本身狀态的監測外，機械臂的相機也可以監測太空環境，如空間碎片以及外來航天器等。2023年4月24日，在八個中國航天日到來之際，中國空間站推出獨家直播《天宮之鏡》，小臂肘部相機還從多個角度帶着大家巡遊了中國空間站與地球。
機械臂巡檢空間站
小機械臂視角下的蔚藍星球
空間科學實驗支援
機械臂也可以提供空間科學實驗支援，減少航天員出艙次數和工作量。2023年6月9日-10日，空間站夢天實驗艙空間輻射生物學暴露實驗裝置經由機械臂抓取從貨物氣閘艙出艙，經過中轉位，順利安裝至既定的艙外暴露平台，裝置開機工作正常。這是大陸首次開展艙外輻射生物學暴露實驗，對輻射生物學和空間科學研究具有裡程碑式意義。
空間輻射生物學暴露實驗裝置出艙準備工作
載荷出艙
機械臂助力載荷出艙
“一臂之力”
助力空間站平穩運作
未來
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本文來源：中國載人航天公衆号