圖①：新一代艙外航天服?！ ≈袊?guó)航天員中心供圖 圖②：核心艙機(jī)械臂工作過(guò)程演示?！ ≈袊?guó)航天科技集團(tuán)五院供圖 圖③：微型工作臺(tái)示意圖?！ ≈袊?guó)航天科技集團(tuán)五院供圖
7月4日14時(shí)57分，經(jīng)過(guò)約7小時(shí)的出艙活動(dòng)，神舟十二號(hào)航天員乘組密切協(xié)同，圓滿完成出艙活動(dòng)期間全部既定任務(wù)，航天員劉伯明、湯洪波安全返回天和核心艙，標(biāo)志著我國(guó)空間站階段航天員首次出艙活動(dòng)取得圓滿成功。這是繼2008年神舟七號(hào)載人飛行任務(wù)后，中國(guó)航天員再次實(shí)施的空間出艙活動(dòng)，也是空間站階段中國(guó)航天員的首次空間出艙活動(dòng)。
“走出”航天器，到茫茫太空進(jìn)行活動(dòng)，具有高風(fēng)險(xiǎn)、高難度的特點(diǎn)。協(xié)助“神十二”航天員成功完成出艙任務(wù)，這些“利器”不可或缺。
新一代艙外航天服——
使用時(shí)間更長(zhǎng)、安全可靠性更高、機(jī)動(dòng)靈活性更好
據(jù)中國(guó)航天員中心航天服工程研究室主任、載人航天工程航天員系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師張萬(wàn)欣介紹，艙外服是指航天員離開(kāi)母船，走入外太空或其他星球時(shí)所穿著使用的個(gè)體防護(hù)裝備，根據(jù)使用環(huán)境又分為軌道出艙艙外服和星際艙外服。艙外服為航天員提供安全有效的環(huán)境防護(hù)、密閉空間的環(huán)境控制和生命保障，相當(dāng)于一個(gè)小的飛行器。但與一般飛行器相比，艙外服還需要保證航天員在穿著艙外服的條件下能夠完成艙外活動(dòng)任務(wù)，這是其最具特色的重要功能。
空間站航天員出艙活動(dòng)屬于軌道的出艙活動(dòng)，所面臨的是300—450公里軌道高度的空間環(huán)境，真空、失重，以90分鐘為周期的±120攝氏度左右的冷熱交變，還有微流塵/碎片和空間輻射。為了保證航天員在這樣一個(gè)環(huán)境下能夠維持正常生命活動(dòng)和艙外作業(yè)，艙外服需具備環(huán)境防護(hù)、生命保障、工效保障、通信保障和安全保障五大基本功能。
張萬(wàn)欣說(shuō)，目前我國(guó)在研的空間站艙外服屬于軌道基艙外服，也就是艙外服運(yùn)送入軌后不再返回地面，壽命周期內(nèi)通過(guò)在軌維護(hù)與維修，保證狀態(tài)良好，完成出艙活動(dòng)任務(wù)。適體性采用一對(duì)多的方式，也就是一套艙外服通過(guò)尺寸調(diào)節(jié)后能夠滿足所有航天員穿著適體，大大減少了上行載荷的重量和空間站空間的占用。
針對(duì)空間站任務(wù)出艙活動(dòng)需求，“神十二”任務(wù)航天員穿著的艙外服在“神七”任務(wù)研制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了三個(gè)方面的重要改進(jìn)：一是改變了結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，二是提高了服裝的壽命，三是提高了人服能力。與第一代相比，具有使用時(shí)間更長(zhǎng)、安全可靠性更高、機(jī)動(dòng)靈活性更好、測(cè)試維修性更強(qiáng)的特點(diǎn)。
核心艙機(jī)械臂——
空間站任務(wù)中的“大力士”
在“神十二”航天員出艙過(guò)程中，驗(yàn)證了空間站機(jī)械臂的大范圍轉(zhuǎn)移能力，完成了我國(guó)空間站工程建造任務(wù)的又一重要任務(wù)。
空間站核心艙機(jī)械臂由中國(guó)航天科技集團(tuán)五院抓總研制，是目前同類航天產(chǎn)品中復(fù)雜度最高、規(guī)模最大、控制精度最高的空間智能機(jī)械系統(tǒng)，主要承擔(dān)艙段轉(zhuǎn)位、航天員出艙活動(dòng)、艙外貨物搬運(yùn)、艙外狀態(tài)檢查、艙外大型設(shè)備維護(hù)等八大類在軌任務(wù)。核心艙機(jī)械臂展開(kāi)長(zhǎng)度為10.2米，最多能承載25噸的重量，堪稱空間站任務(wù)中的“大力士”。
據(jù)介紹，空間站核心艙機(jī)械臂是我國(guó)首個(gè)可長(zhǎng)期在太空軌道運(yùn)行的機(jī)械臂，其肩部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)、肘部設(shè)置了1個(gè)關(guān)節(jié)、腕部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)，一共7個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)自由度，就如同人的手臂一般，具有七自由度的活動(dòng)能力。通過(guò)各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自身前后左右任意角度與位置的抓取和操作，為航天員順利開(kāi)展出艙任務(wù)提供強(qiáng)有力的保證。
為擴(kuò)大任務(wù)觸及范圍，空間站核心艙機(jī)械臂還具備“爬行”功能。由于核心艙機(jī)械臂采用了“肩3+肘1+腕3”的關(guān)節(jié)配置方案，肩部和腕部關(guān)節(jié)配置相同，意味著機(jī)械臂兩端活動(dòng)功能是一樣的。同時(shí)肩部與腕部各安裝了一個(gè)末端執(zhí)行器。作為機(jī)器臂的觸手，末端執(zhí)行器可以對(duì)接艙體表面安裝的目標(biāo)適配器，機(jī)械臂通過(guò)末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器對(duì)接與分離，同時(shí)配合各關(guān)節(jié)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在艙體上的爬行轉(zhuǎn)移。
空間站機(jī)械臂是我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域之一，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院在關(guān)鍵技術(shù)、原材料選用、制造工藝、適應(yīng)空間站環(huán)境的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)等方面均作出了巨大的突破和創(chuàng)新。在研制團(tuán)隊(duì)的努力下，我國(guó)成功掌握大型空間機(jī)械臂核心技術(shù)并成功應(yīng)用，全部核心部件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并形成了多項(xiàng)國(guó)家空間機(jī)器人行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
艙外維修與輔助工具——
航天員執(zhí)行出艙任務(wù)的“機(jī)械伙伴”
我國(guó)空間站首次艙外活動(dòng)中，作為航天員執(zhí)行出艙任務(wù)的“機(jī)械伙伴”——艙外維修與輔助工具，也首次成功亮相。
艙外維修與輔助工具由中國(guó)航天科技集團(tuán)五院研制，可協(xié)助航天員有效克服在軌著航天服狀態(tài)下，手套充壓后操作不便、航天員需單手操作難度大、在軌防漂要求高等難題，具備輔助航天員在軌著航天服狀態(tài)下開(kāi)展艙外行走、位姿轉(zhuǎn)換、設(shè)備更換、產(chǎn)品安全防護(hù)等多項(xiàng)功能，是航天員執(zhí)行艙外活動(dòng)必不可少的工具。
為了確保艙外維修與輔助工具的健康狀態(tài)良好，滿足首次出艙任務(wù)需求，在首次出艙之前，航天員已在艙內(nèi)進(jìn)行了維修工具的健康狀態(tài)檢查、使用狀態(tài)設(shè)置等各項(xiàng)工作，確保滿足出艙應(yīng)用需求。
艙外電動(dòng)工具作為空間站維修工具產(chǎn)品的“一號(hào)選手”，是此次維修任務(wù)用到的唯一一個(gè)機(jī)電類工具，可以適應(yīng)艙外復(fù)雜的真空和高低溫環(huán)境。艙外通用把手可以安裝到維修設(shè)備上用于航天員在軌維修時(shí)進(jìn)行待維修設(shè)備的轉(zhuǎn)移及防漂，通過(guò)與設(shè)備端的通用把手底座配合，實(shí)現(xiàn)航天員單手完成對(duì)設(shè)備的快速鎖定、解鎖。
艙外維修與輔助工具不僅有用于艙外設(shè)備維修的艙外電動(dòng)工具、艙外扳手、通用把手等工具，也有各種配合航天員艙外姿態(tài)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換的便攜式腳限位器、艙外操作臺(tái)等輔助工具。便攜式安全帶協(xié)助航天員實(shí)現(xiàn)艙外作業(yè)位置設(shè)備及維修工具的防漂；與航天服直接相連的微型工作臺(tái)，則像一根多功能腰帶一樣環(huán)繞在航天服腰部，將航天員出艙使用的艙外電動(dòng)工具、艙外通用把手和艙外扳手隨身攜帶，確保航天員隨用隨取。
此次航天員出艙任務(wù)的成功實(shí)施，充分驗(yàn)證了艙外維修與輔助工具在軌應(yīng)用的可靠性。
太空通信“天路”、網(wǎng)絡(luò)“熱點(diǎn)”——
護(hù)航出艙活動(dòng)
出艙活動(dòng)是航天員身著艙外航天服在航天器外進(jìn)行太空行走和作業(yè)的統(tǒng)稱。在空間站任務(wù)中，航天員將進(jìn)行多次出艙活動(dòng)，完成空間站的維修、維護(hù)及建造等任務(wù)。進(jìn)行出艙活動(dòng)時(shí)與地面建立高速及時(shí)的通信聯(lián)系尤為重要，出艙活動(dòng)不僅是對(duì)航天員的全方位考驗(yàn)，也是對(duì)空間站天和核心艙與地面測(cè)控站間通信能力的一大考驗(yàn)。
據(jù)介紹，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院研制的第三代中繼終端產(chǎn)品，通過(guò)與中繼衛(wèi)星天鏈一號(hào)和天鏈二號(hào)建立中繼鏈路，實(shí)現(xiàn)中繼通信，確保航天員與地面通信的實(shí)時(shí)暢通。這就好比在太空中搭建了地面與中繼衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星與航天員之間的“天路”。
空間站中繼終端與其他型號(hào)在設(shè)計(jì)上最大的區(qū)別在于，為了保證在軌使用的長(zhǎng)壽命，需要具備在軌可維修性。空間站中繼終端采用了集成化、模塊化的設(shè)計(jì)思路，在保證傳輸信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，方便航天員維修更換。
此外，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院研制的出艙通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)外航天員之間、艙內(nèi)外航天員與地面人員之間以及艙外航天員之間的全雙工語(yǔ)音通信，在航天員艙外活動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信全覆蓋，支持多名航天員同時(shí)出艙活動(dòng)時(shí)的通話功能。
艙外圖像傳輸子系統(tǒng)則為艙外提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通過(guò)出艙無(wú)線收發(fā)設(shè)備提供的網(wǎng)絡(luò)“熱點(diǎn)”進(jìn)行圖像傳輸，實(shí)現(xiàn)了航天員出艙活動(dòng)的實(shí)時(shí)顯示。
制圖：蔡華偉
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2021年07月06日 07 版）
