空间机械臂：太空里的“能手”-

机械臂，这个名词对于我们来说并不陌生，从汽车和手机厂商的黑灯工厂，到街边售卖新鲜果汁的自动贩卖机，机械臂已经慢慢地渗透到了我们的周围，在人类的生产生活中逐渐发挥重要作用。当然，在空间站这个集各行各业高科技于一体的人类太空科研前哨站上，也能见到它们的身影。

空间机械臂的历史

机械臂进入太空，要从美国航天飞机说起。上世纪70年代初，美国宇航局正在研发一种大型可往返载人航天器——航天飞机，该局想要在航天飞机上部署一种机械臂系统，用来抓取和操纵有效载荷，也可以作为航天员进行太空行走的移动平台。在早期便应邀加入航天飞机的加拿大航天局接下了这个“活”，在各公司与部门的通力配合下，设计出了给航天飞机使用的遥控机械手系统。

在1981年11月的STS-2任务中，该机械臂系统在哥伦比亚号航天飞机上首次亮相。这套系统名为“加拿大臂”，以纪念加拿大为机械臂设计制造所做的贡献。加拿大总共为航天飞机制造了4套机械臂。加拿大臂长约15米，拥有6个自由度，重约410千克，出色完成了各项任务，比如大名鼎鼎的哈勃空间望远镜维修任务。

加拿大臂看起来简洁而又美观，功能强大，只需要人员在航天飞机内部操作就可以完成大量的舱外工作。虽然体积不大，重量很轻，但是却能移动比它本身重得多的物体。货物搬送，辅助太空行走，辅助进行舱外设备故障检修和航天器的外表检查等，它几乎无所不能。在航天飞机的上百次任务中，它不断地证明自己的价值。

2001年4月，在STS-100任务中，更强大的加拿大臂2由奋进号航天飞机送上了建设中的国际空间站。加拿大臂2完全伸展时长度约为17.6米，拥有7个自由度，重约1.8吨，能够抓取11.6吨的载荷，可以辅助货运飞船与空间站进行对接。

2002年，可以让加拿大臂2沿着桁架移动的底座MBS被安装在国际空间站上。2008年，一个叫“右手”的多功能机械手系统被带上国际空间站。这个机械手可以大幅增强机械臂的多功能性，降低了太空行走的必要性，减轻了航天员们的负担。加拿大臂2、MBS和“右手”共同组成了国际空间站的移动服务系统。

在国际空间站的日本实验舱和俄罗斯的科学号舱段上，日本和欧空局也有自己的机械臂。

日本实验舱上的机械臂其一端被固定在舱体上，主要用来在日本实验舱的暴露平台上进行作业。

欧空局的欧洲机械臂在2021年7月21日随着俄罗斯的科学号舱段一起被发射升空。欧洲机械臂与加拿大臂2看起来十分相似，功能也基本一致，但是由于其使用的抓取装置与欧美舱段上的不同，所以只能在俄罗斯舱段上使用。欧洲机械臂的体积比加拿大臂2小，其总长度约11米，重约630千克，能够抓取8吨的载荷。

欧洲机械臂最早在2007年就准备跟随科学号进入国际空间站，但是由于各种原因，科学号舱段的发射一再推迟，直到2021年5月20日欧洲机械臂才终于完成与科学号的整合，并在之后发射升空。从造好到升空耗时如此之久，真可以说是起了个大早，赶了个晚集。

中国的空间站机械臂

如此有用的机械臂，我们中国空间站当然也少不了。我国在本世纪初便开始了空间站机械臂的研制工作，先后制作出了多台样机进行实验。空间站机械臂虽然看起来简单，但是技术含量却相当高，所需要的技术涉及多个学科，比如材料、电子技术、视觉识别等。如今中国空间站上的机械臂，是我国科研人员历经十几年研究的成果。

中国空间站的天和机械臂在核心舱发射时便已经随着核心舱一起进入了太空，通过神舟十二号飞行乘组的整备，通过太空行走解锁，进入了工作状态。天和机械臂重0.74吨，工作半径达到10米，可以负载25吨的载荷。其由关节、末端、中央控制器、相机、臂杆组成，拥有7个自由度。

中国空间站上安装的机械臂示意图（来源：航天科技集团五院）

中国空间站除了天和机械臂，在问天实验舱上还有另一个机械臂，即问天机械臂。它随着问天实验舱一起加入中国空间站。问天机械臂长度达到5米，可以负载3吨载荷，也拥有7个自由度。它们的末端绝对姿态精度、末端复位姿态精度等各项指标都达到世界顶尖水平，毫不逊色于加拿大臂2。相比于天和机械臂，问天机械臂在参数上要弱一些，这是因为问天机械臂的主要任务与日本实验舱的机械臂相似，主要是对实验舱外的设施进行照料，并不需要太高的参数，够用即可。当两个机械臂搭配使用，机械臂组合体的最大伸展长度可以达到15米，进一步扩大使用空间，如可以协助航天员将核心舱上的太阳翼转移到实验舱上等。

机械臂可以通过空间站上遍布的抓取点，用类似于尺蠖行走的方式进行移动。它们可以执行和加拿大臂相同的任务，比如对舱体进行巡视检查，查看舱体是否有遭到太空垃圾或者微小陨石撞击的痕迹，捕获悬停飞行器，对载荷进行照料等。

除了这两个较大的机械臂之外，两个实验舱段上还有类似于和平号空间站上专门用于舱段转位用的机械臂，可以抓取节点舱上的抓取点进行舱段的转位工作。当然，天和机械臂强大的负载能力使得它也可以完成同样的工作，它们将作为转位机械臂无法使用时的备用选项。核心舱机械臂除了可以负载实验舱，还可以负载中国空间站将在不久的将来迎来的巡天太空望远镜。