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麻城高强度桁架机械臂

发布时间:2022-11-20 点击:35次

航天科技知识普及资料

航天技术是指将航天器送入太空,以探索开发和利用太空及地球以外天体的综合性工程技术,又称空间技术。以下是由我整理关于航天科技知识的内容,希望大家喜欢!

航天科技知识

1、建造国际空间站的主要目的及结构?

建造国际空间站的目的总的来说就是在太空建立一个永久性的科学实验室,上面能安放各种研究设备和实验仪器,以便航天员利用太空微重力环境长期进行科学研究。具体地说有5个目的:(1)建造一个世界级的研究实验室,以便进行高质量的科学研究;(2)充分利用太空微重力资源;(3)让航天员能长期在上面工作与生活;(4)探索一种有效的国际合作机制;(5)为发展21世纪的科学技术提供一个理想的“试验平台”。

国际空间站的主要结构:(1)基础桁架,用来安装各舱段、太阳能电池板、移动服务系统及站外暴露试验设施等;(2)居住舱,主要用于航天员的生活居住,其中包括走廊、厕所、淋浴、睡站和医疗设施,由美国承担研制和发射到太空;(3)服务舱,内含科学仪器设备等服务设施,也含一部分居住功能,由俄罗斯研制并发射;(4)功能货舱,内设有航天员生命保障设施和一部分居住功能以及电源、燃料暂存地等,舱体外部设有多向对接口,由俄罗斯研制并发射;(5)多个实验舱,其中美国1个、欧空局1个、日本1个、俄罗斯3个;(6)节点舱(3个),它们由美国和欧洲航天局研制,是连接各舱段的通道和航天员进行舱外活动的出口;(7)能源系统和太阳电池帆板,由美国和俄罗斯提供;(8)移动服务系统(主要是遥操纵机械臂),它由加拿大研制。

2、航天员在空间站上需要完成哪些工作及作息时间?

空间站就是一个建在太空的研究实验室,因此航天员在空间站上的一项重要工作就是利用站上的科研仪器或试验设备进行科学研究或实验;另外航天员在空间站上需要完成大量的太空行走(即出舱活动),出舱活动的目的一是组装国际空间站,还有就是对空间站的维修和保养(如前苏联的和平号空间站);第三是日常事务或工作,如完成地面控制中心下达的临时任务,更新站上计算机上的数据,对站上的设备进行测试和检查等。

在空间站上没有白天和黑夜,太阳每天升起和落下16次,因此航天员的作息时间完全是自己定。一般是06:00起床,起床后稍微活动一下,就开始对空间站作一次常规检查,然后吃早餐;08:10左右,在开始正式工作前,全体航天员与地面控制中心开一次当天的工作会议,会后进行一会体育锻炼,然后开始工作,一直到中午13:05;中午有1小时的午休时间,下午的活动包括工作和体育锻炼,直到19:30,然后是晚餐和一天的 工作 总结 会;睡眠时间开始于21:30。一般情况下,航天员每天工作10小时,星期六工作5小时。其余的时间由航天员自己安排,可以休息,也可以加班。

3、航天员在太空如何睡眠?

人的一生有三分之一的时间是在睡眠中度过的,因此有一个舒适的环境以保证良好的睡眠极为重要。在这方面天上和人间都是同样的标准。但天上和人间有一个重要区别,这就是在地面上是1g重力环境,而在太空中是微重力或失重环境。在地面上最好的睡眠方式是躺在床上睡,实在不得已,也可坐在椅子上睡,极少有人站着睡,可能没有人会倒立着睡。但在失重条件下,睡眠不受姿势的限制,可以躺着睡,坐着睡,站着睡,甚至倒立着睡。在失重条件下睡眠的最大优点是无需要床。你只要在居住舱中找一个角落,没有噪声和振动干扰,便可舒舒服服地睡上一觉。不过在睡前一定要用一根带子将自己固定在某个地方,否则当你睡着后,由于呼气的推力会将你的身体推到空中,在舱内飘来飘去,直到碰撞在某个物体上把你撞醒。在早期的飞船上,航天员都是坐在座椅上睡眠,在航天飞机上为航天员提供的睡眠条件有很大改进。航天飞机上有两种睡眠设备分别提供给两种工作制使用;单班工作制使用睡袋;两班工作制使用卧厢。在单班工作制时,所有航天员都同时睡眠,因此每人有一个睡袋。在太空中有些任务需要24小时连续操作,因此要求航天员分两班轮流工作,这时航天飞机上提供给航天员的睡眠设备是小卧厢。卧厢分三个一组和四个一组的两种。每个小卧厢内都有睡袋,私人贮藏室、照明灯和通风口。睡袋固定在卧厢床板上,用6个弹簧夹固定。照明灯的亮度可调节。新鲜空气的进气口正对着航天员的头部,而排气口对着脚。所有卧厢都安装在中层甲板舱的右侧,在航天员睡觉时要求头对着气压过渡舱,脚对着电子设备舱。

4、国际空间站为航天员提供了什么样的睡眠设备?

在国际空间站的美国居住舱内,为每名美国航天员提供一个卧室,这是一个私人小空间,小卧室有一人大小,能隔音,卧室中也有睡袋,此外里面还有台灯、小书桌、书架、 笔记本 电脑和放置私人物品的抽屉,航天员躺下后还可以听音乐。不过对于临时来访的航天员,则没有这种待遇,他开云全站app们一般只能睡在睡袋内,睡袋是挂在站舱的舱壁上。不过很多航天员不愿意睡在这种小卧室内,而是在地板上,天花板上或是墙壁找一个比较安静的地方,将睡袋系在上面,即可安安稳稳的睡上一觉。为了防止噪音和光亮的干扰,航天员睡觉前一般都用耳塞将耳朵堵住,并用眼罩将眼睛蒙上。为了尽可能模拟在地面睡觉的情景,这种航天睡袋是特制的,在睡袋的一边做得比较硬一些,相似于床垫。另外在航天员睡觉的时候,睡袋上还应当用两条宽的带子将身体固定住,这样使航天员有一种盖被子的感觉,同时还可防止手臂和下肢飘动。人体的手臂在脸的前方飘来飘去虽没有什么危险,但会让人感到不舒服。不过也有个别航天员既不要睡在小卧室内也不愿意使用睡袋,而是愿意在完全飘浮状态中睡觉。

5、太空厕所内的马桶是什么样子?

目前在国际空间站上有两个太空厕所,太空厕所内使用的是太空马桶,这种太空马桶都是由俄罗斯设计的。太空马桶与地面上使用的马桶不一样。由于太空是失重环境,水不会往下流,因此太空不能使用抽水马桶,而是使用“抽气马桶”。这种“抽气马桶”是靠气流将大小便带走,因此使用这种马桶时,屁股一定要跟马桶的边缘贴紧,使马桶内完全密封。如果密封不严,里面的气流就无法将粪便带走。在“抽气马桶”内大小便是分开收集的。马桶的前端有一个漏斗状的适配器,可以将小便收集和输送到小便桶中。“抽气马桶”不分男女,但适配器则分男女。

6、航天员在太空行走过程中如何大小便?

航天员在太空飞行期间可以使用太空厕所,但是在航天飞机发射时、在太空行走期间、以及在航天飞机返回着陆时,航天员又是使用什么东西解决大小便问题?现在在美国,无论是男航天员或是女航天员,在航天飞机发射和着陆时,以及在太空行走期间,都穿着一种称为“强力吸尿裤”的短衬裤,以解决小便问题。当航天员需要小便时,直接将小便尿在强力吸尿裤上,等回到地面上或是回到气闸舱以后,将这种裤子扔掉即可。航天飞机发射前,宇航局发给每名航天员三条强力吸尿裤,一条在发射时穿用,一条在着陆时穿用,还有一条留作备用。航天员在太空行走前,也要穿上这种裤子,一般是贴身穿,穿在液冷通风服的里面。这种强力吸尿裤外形像普通的运动短裤,不过它有极强的吸水能力,一条裤子能吸附2升多的尿。

7、国际空间站上有几类食品?航天食品的标准是什么?航天员如何选择食品?

国际空间站的食品分为三大类:日常食品、应急食品和舱外活动食品。日常食品包括冷冻食品、冷藏食品和室温食品。冷冻食品又包括小菜、蔬菜和各种点心;冷藏食品包括新鲜水果和蔬菜、可以在冰箱中较长期保存的食品以及一些乳制品。室温食品包括热稳定食品、无菌包装的食品,自然形态的食品以及复水饮料。

挑选食品的标准是适用性、营养价值和方便性。航天员在发射前6个月对食品进行选择。虽然每批航天员在站上一般要停留90天,但食品菜单的选择只要求选出头28天的来。在选择菜单时允许航天员对空间站标准菜单中的项目进行删改和更改。

8、什么是应急商品?什么情况下使用应急食品?

应急食品可以提供空间站上航天员45天的食品供应。所谓应急供应包括两种情况,一种是空间站发生严重事故;另一种是由于某种原因不能正常供应航天员食品。该系统对食品的体积和重量作了严格的限制。每人每天仅提供2000kcal的热量。应急食品在室温下保存,温度范围是16~30℃,因此必须是耐贮存的。这类食品包括热稳定食品、中湿度食品、脱水食品和饮料。食品的保存期必须在2年以上。

9、什么是舱外活动食品?

舱外活动食品供航天员在舱外活动(即太空行走)期间食用,包括食物和水,其中食物可提供500kcal的热量,水有1.08kg,能保证8小时的身体需要。舱外活动食品与水的容器都是特制的,可以多次使用。每次用完后要带回站内进行清洗,然后重新装满食物和水,以备下次出舱时再用。

10、国际空间站上有什么样的冷藏食品?

国际空间站上的冷藏食品有乳制品(包括美国干酪、乳脂干酪、酸奶油);还有水果(包括苹果、葡萄柚、猕猴桃、橙和李子)。

国际空间站上的冷冻食品包括肉蛋类、主食类、蔬菜类、水果类、甜点心、汤类、乳制品、饮料和调味品等。其中肉蛋类包括牛肉、小羊肉、火鸡肉、猪肉、海产品和蛋类。

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1、什么是空间站?

空间站,也称为轨道站或太空站,是一种能长期在地球低轨道上运行的大型载人航天器,航天员可以长期在上面生活和工作,这种大型航天器能在轨道上与飞船或航天飞机对接,由飞船或航天飞机为它运送人员和物资;空间站与飞船或航天飞机的主要区别是它没有主推进系统和着陆设备,因此它不能在轨道上作机动飞行和返回着陆。

根据不同国家和不同的历史阶段,发展空间站有不同的动机和目的。一般讲一个国家发展空间站主要有四个目的:第一是政治目的,即为了显示国家的综合实力,或者是为了在政治上“压倒”对方,在载人航天领域取得领导地位,上世纪冷战时期,这是美苏发展空间站的主要目的;第二是科技目的,即将空间站作为建在太空的科学实验室,在上面进行各种科学研究和实验;第三是经济目的,利用空间站进行太空生产,或者发展太空旅游;第四是军事目的,将空间站作为建在太空的“军事堡垒”。

2、空间站的类型?

按用途分,空间站可分为民用和军用两种类型:民用空间站如前苏联的和平号空间站和美国的国际空间站;军用空间站如前苏联的礼炮2,礼炮3和礼炮5号空间站以及美国空军曾经计划研制的“载人轨道实验室”。另外按发射方式划分,还可分为整体式和模块式两种。早期的空间站都是整体式,如美国的“天空实验室”和前苏联的礼炮号,它们都是在地上组装好,并装上各种生活用品和实验仪器,然后整体发射上去,航天员则乘坐载人飞船上去访问;后来由于技术的改进,采用模块式建造,即先发射一个核心舱,然后将不同用途的舱室一个接一个发射上去,在轨道上组装起来,形成一个整体,如前苏联的和平号空间站和现在的国际空间站。

3、迄今为止在太空一共发射或建造过多少空间站?

到目前为止美国和苏联/俄罗斯一共发射或建造过4种类型的空间站,共10艘,其中包括前苏联在1971-1986年间发射的7艘礼炮号空间站,它们是礼炮1号至7号,不过礼炮1号对接失败,礼炮2号发射失败,礼炮3号对接失败,除了礼炮4号,其余的礼炮5、6、7号都曾发生过一次对接失败。此外美国于1973 – 1974年间发射的“天空实验室”;前苏联和俄罗斯于1986 – 1999年间建造的和平号空间站,以及至今还在轨道上运行的国际空间站。

4、谁最早提出建造空间站的设想?

有关空间站的设想最早是由俄国的康斯坦²齐奥尔科夫斯基和德国的赫尔曼²奥伯特分别提出来的。1895年,齐奥尔科夫斯基在一本科幻小说中首次提出建造空间站的设想,1903年他提出在空间站上要安装人工重力设备,并提出建造太空温室,以便人类能长期在空间站上生活和工作。1923年奥伯特首次使用“空间站”这个词,并认为这是人类飞往月球和火星的起始站。1929年渃尔丹在一本名为《太空旅行问题》的书中提出建造大车轮形空间站的设想,这种空间站直径为30米,在地球同步轨道上运行。1950年,冯²布劳恩进一步发展了车轮形空间站的设想,车轮的直接扩大到76米,由可重复使用并带有机翼的航天器为其运输人员和物资。这种空间站可作为地球观察站、太空科学实验室和飞往月球和火星的“跳板”。1959年,美国宇航局计划在月球旅行前建造一个空间站,同年美国众议院太空委员会决定在水星计划完成后即开始建造第一个空间站。1969年阿波罗11号的两名航天员成功登月,宇航局立即决定要在1975年建造一个能承载100人的大型永久性空间站。不过宇航局的这些空间站计划都是纸上谈兵,而前苏联在与美国的登月竞赛中失败后,专心致志发展空间站,在上世纪70年代先后发射了7个礼炮号空间站,80年代又建造了大型空间站 – “和平”号。直到1997年国际空间站开始在太空组装,美国发展空间站的梦想才变成现实。

5、一个大型空间站由哪些系统组成?

一个大型空间站至少由十大系统组成:(1)结构系统;(2)电力系统;(3)热控系统;(4)姿态测定与控制系统;(5)轨道导航和推进系统;(6)自动化和机器人系统;(7)计算与通信系统;(8)环境控制与生命保障系统;(9)航天员居住系统;(10)人员和物资运输系统。

6、我国是否也要发展空间站?

2010年10月27日,中国载人航天工程新闻发言人表示,我国载人空间站工程已正式启动实施,2020年前后将建成规模较大、长期有人参与的国家级空间实验室。我国载人空间站工程分为空间实验室和空间站两个阶段实施。2016年前,研制并发射空间实验室,突破和掌握航天员中期驻留等空间站关键技术,开展一定规模的空间应用;2020年前后,研制并发射核心舱和实验舱,在轨组装成载人空间站,突破和掌握近地空间站组合体的建造和运营技术、近地空间长期载人飞行技术,并开展较大规模的空间应用。我国载人空间站工程建设,将充分继承载人航天工程前期成果,继续使用已有的神舟飞船、长征二号F运载火箭、发射场和着陆场。载人空间站建成后,将全面实现我国载人航天“三步走”发展战略,进一步推动我国载人航天技术向更高水平发展,为推动国家科技进步和创新发展、提升综合国力、提高民族威望做出重要贡献。

7、我国空间实验室的主要任务是什么?

空间实验室系统的主要任务有:(1)进一步掌握飞行器空间交会对接技术;(2)突破航天员中期驻留、飞行器长期在轨自主飞行、再生式生保和货运飞船补加等关键技术;(3)验证天地往返运输飞船的性能和功能;(4)进行一定规模的空间应用。中国空间技术研究院研制的“天宫”二号空间实验室将主要开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验。“天宫”三号空间实验室将主要完成验证再生生保关键技术试验、航天员中期在轨驻留、货运飞船在轨试验等,还将开展部分空间科学和航天医学试验。

目前我国正在研制的空间实验室采用两舱构型,分别为实验舱和资源舱,实验舱由密封的前锥段、柱段和后锥段组成,密封舱可保证舱压、温湿度、气体成分等航天员生存条件,可用于航天员驻留期间在轨工作和生活,密封的后锥段安装再生生保等设备。实验舱前端安装一个对接机构,以及交会对接测量和通信设备,用于支持与飞船实现交会对接。资源舱为轨道机动提供动力,为飞行提供能源。

8、空间实验室有什么关键技术?

空间实验室阶段关键要突破飞船空间交会对接技术。空间交会对接技术难度很大,在对接过程中,如果计算不准,就可能发生飞船相撞事故。因此,需要进行大量试验才能掌握这一技术。

两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调,在同一时间到达太空同一位置的过程称为交会。对接是在交会的基础上,通过专门的对接机构将两个航天器连接成一个整体。实现两个航天器在太空交会对接的系统称为交会对接系统。

交会对接系统通常包括跟踪测量系统、姿态与轨道控制系统、对接机构系统等。两个航天器在太空进行对接,其初始条件是两者保持对接机构的同轴接近方式和确定的纵向速度,以及在其他线坐标和角坐标上的速度为零。但两个航天器之间的实际相对运动参数总是有偏差的。一般情况下,两个航天器之间的相对位置及其平动速度通常是靠主动航天器轨道控制系统和两个航天器的姿态控制系统来维持的,前者适用于控制质心的平动运动,后者适用于控制绕质心的转动运动。航天器的空间交会对接控制 方法 有两种,一种是人工控制、另一种是自动控制。用人工控制来完成太空交会对接可以提高交会对接的成功率。自动控制交会对接可靠性高,不需考虑人员的安全和救生问题。在航天器的交会对接技术方面,未来的发展趋势是人工控制和自动控制相结合,以提高交会对接的灵活性、可靠性和成功率。

9、中国载人航天工程“分三步走”是什么意思?

中国载人航天工程共分“三步走”:第一步载人飞船阶段,通过神舟五号和六号已圆满完成,把中国航天员送上天,完成了多人多天飞行,而且能准确回到预定地点;第二步是空间实验室阶段,这一阶段要攻破四项技术关键,为第三步的空间站建设做技术准备。我国将在2011年发射目标飞行器“天宫一号”,并在2年时间内逐步实现与神舟八号、神舟九号、神舟十号的三次交会对接试验。此后“天宫一号”将被改造为一个短期有人照料的空间实验室。空间实验室阶段是目前正在进行的阶段。它的第一项技术关键是出舱活动,神舟七号完成了这个任务;第二个技术关键是交会对接,通过“天宫一号”在太空飞行2年左右的时间里,先后完成与神舟八号、神舟九号、神舟十号的太空对接,突破并基本掌握航天器交会对接技术。第三个技术关键是补加,为飞行器补给推进剂、空气、水、食品等;第四个关键则是再生式生命保障系统。

10、什么是“天空实验室”?

“天空实验室”是美国第一个试验性空间站。1973年5月14日发射,进入离地面 435公里的近圆轨道。同年还先后发射了 3艘“阿波罗”号飞船与“天空实验室”对接。这 3艘飞船分别称为“天空实验室”2、3、4号。1979年 7月 11日“天空实验室”进入大气层烧毁。“天空实验室”用“土星”5号运载火箭发射。在上升飞行过程中,高速气流冲掉了轨道舱的防护罩和一个太阳电池翼,另一个太阳电池翼被防护罩碎片缠住而没有打开,以致“天空实验室”入轨后严重缺电,舱内温度上升到50左右。1973年 5月25日,三名航天员乘“阿波罗”号飞船与“天空实验室”对接。航天员用一顶遮阳伞伸出舱外,挡住阳光,使工作舱温度下降。他们切去缠绕的防护罩碎片,使剩下的一个太阳电池翼展开发电,终于使“天空实验室”开始工作,接纳航天员。“天空实验室”共接待三批航天员,这三批航天员在空间站内分别工作和生活了 28天、59天和84天。用58种仪器进行了 270多项天文、地理、遥感、宇宙生物学和航天医学试验研究。重要的项目有:用太阳望远镜观测太阳并拍摄了18万张太阳活动的照片;用6种遥感仪器对地球进行了观测,共拍摄4万多张地面照片;用7种仪器研究太阳系和银河系的情况;用自行车功量计和下身负压装置等医疗器械研究长期失重对人体生理的影响;还进行了失重下的材料加工试验。

“天空实验室”由轨道舱、过渡舱、多用途对接舱、太阳望远镜和“阿波罗”号飞船 5个部分组成。全长36米,直径6.7米,重82吨。轨道舱是“天空实验室”的主体,用“土星”5号运载火箭第三级箭体改装而成,分上下两层,上层为工作区,下层为生活区。生活区又由隔板分成卧室、餐室、观测室和盥洗室。轨道舱内充纯氧,保持33千帕大气压和20°C左右的温度。

“天空实验室”计划持续6年,耗资26亿美元。美国宇航界、政界和科学界都给予极高的评价。

日本航天完成黑科技测试,除了太空机械臂,它还有太空机械手?

说到太空机械臂,大家立刻就会想到咱们“天和”核心舱的“大臂”,以及国际空间站的“加拿大臂2”,还有前不久随俄罗斯“科学”号实验舱上天的欧洲机械臂ERA。明年我国“问天”号实验舱还会带上去一个“小臂”,这些都是七自由度太空机械臂,除了“加拿大臂2”是沿着桁架直线移动之外,其他的都可以爬行。

可能还有人知道国际空间站日本“希望”号实验舱外也有一个固定式机械臂,它与美国航天飞机上安装的固定式“加拿大臂”比较类似。另外,俄罗斯“黎明”号对接舱外,乃至当年的“和平”号空间站上,都装有伸缩式“太空吊车”。

可是,前面说到的这些,仅是太空机械臂中的一个分类,其实在这个庞大的家族中,还有一种小型太空机械臂,更接近于人手的灵活程度,所以叫“太空机械手”,比如日本太空初创企业Gitai刚刚在国际空间站完成功能演示的S1机械手。

与抓捕飞船进行对接、辅助宇航员进行太空行走的大型舱外机械臂不同,太空机械手主要干维修空间站的工作,比如日本Gitai S1机械手在这次演示中,测试了操作电缆和开关,组装结构和面板两项功能,都是十分精细的操作,据说它的灵活程度还只开到了7级,最高为9级。

而日本机械手目前的功能演示,只是在国际空间站的一个商业充气舱内进行的,下一步将在舱外进行测试,其目标是部分取代宇航员的工作,减少太空行走舱外作业,未来甚至准备为月球、火星基地提供服务。另外,目前测试的S1还只是一个单机械手,Gitai的最终形态是一个拥有四个手臂的太空机器人,不管是否适用,反正日本是跟人形机器人杠上了,就算点错了 科技 树也在所不惜。

值得一提的是,我国早在2016年到2019年的“天宫二号”空间实验室阶段,就在轨测试了类似的太空机械手,它与现在的“天和”核心舱外的太空机械臂完全不同,真的是模拟人的手臂,有3个关节系统,甚至还有5根手指。当然,如果需要,也可以换成其他的末端执行器。

不过,中日都并非最早搞太空机械手的,在国际空间站舱外,自2008年3月开始,就有一个专用灵巧机械手Dextre,又叫“加拿大手”,它与“加拿大臂2”配合使用,就像手指和手臂一样,能够进行毫米级的操作,比如拧螺丝,剥电线。但Dextre唯一的问题是太大了,只能在舱外使用,而且必须与“加拿大臂2”合体,才能发挥作用。

而我国正在研制的“太空蜘蛛”,可以看作是一种更为灵活的Dextre,它既可以跟机械臂合作,从货运飞船中吊取零配件,又可以单独活动,像蜘蛛一样爬到航天器上进行在轨组装,精度达到0.015毫米,据说它将应用在我国“韦伯”PLUS空间望远镜上。

前面提到的所有这一切,都只是为了一个目标,即打造无人化的空间站和外星基地。虽然现在的近地轨道空间站,一直有人长期驻守,但是未来的月球轨道空间站、月面基地、火星轨道空间站、火星基地、甚至拉格朗日点空间站,由于距离过于遥远,大部分时间都处于无人值守状态,就要求各种大小机械臂、机械手、机器人能够自行完成维护和保养工作,具备高度的自动化、智能化,所以这是人类走向星辰大海一项必不可少的技术。

天宫空间站为何挂6个圆球?不要燃料也能太空机动,全球仅三家有

当前,长征五号乙遥二运载火箭正在海南文昌发射场进行发射前各项准备工作,再有半个月时间天和一号核心舱将搭乘此枚火箭发射升空,届时它将踏上一段为期十至二十年的太空旅途。

天和一号核心舱是近十余年来人类发射的最大吨位航天器,发射质量约22吨,全长16.6米,最大直径4.2米,竖立起来足足有6层楼房高。

从外观上看,天和一号核心舱分为大柱段、小柱段、节点舱三部分,大柱段前缘与小柱段交接处有 6个球形装置显得格外抢眼,这些究竟是什么装置,发挥的又是什么作用?

这还得从核心舱的本职工作谈起,核心舱是空间站的平台控制中枢,承担着空间站的制导导航、轨道控制、姿态控制、生命保障、航天员生活保障等任务,6个球形装置与空间站姿态控制任务密切相关。

天宫空间站一期工程包括天和一号核心舱、问天号实验舱、梦天号实验舱、神舟载人飞船、天舟货运飞船,以及临时停靠的巡天光学舱组成,在轨最大质量超过110吨,如此庞大的航天器组合体的姿态控制难度是以往我国任何一次航天任务都难以企及的。

百吨级空间站日常运行过程中会受到地球高层大气、太阳电磁辐射、引力场等多种因素影响,姿态会有所变化,而空间站搭载的诸多载荷都有特定的指向需求,尤其是大型太阳能电池有动态对日指向要求。

航天器传统的姿态控制办法是通过RCS喷气式姿控动力系统进行调姿,但此种办法效费比极低,一次较大幅度的调姿任务所消耗的燃料价值就高达数百万人民币,因为空间站燃料属于非常宝贵的消耗性资源,需要发射货运飞船进行上行补给。

天和一号核心舱大柱段前缘六个球形装置就是燃料零消耗条件下进行姿态控制的新手段,它们就是“控制力矩陀螺”。

控制力矩陀螺与动量轮是航天器姿态控制的惯性执行部件,后者通常应用于三轴稳定的中小型航天器,通过飞轮的加速与减速输出力矩,前者则在后者基础上增加了一个旋转轴,不仅飞轮高速旋转,“飞轮框架”也可旋转,进而输出数百倍于动量轮的力矩。

简而言之,配置控制力矩陀螺的航天器姿态控制能力更强,可以适应航天器的快速姿态控制需求,与动量轮一样它们 消耗的是电能 ,因而可以实现零燃料消耗条件下的航天器姿态控制任务。

我国拉开控制力矩陀螺应用序幕的航天器是2011年9月29日发射入轨的天宫一号目标飞行器,它配置有6个200Nms(牛米每秒)力矩陀螺,该产品在神舟八号、神舟九号、神舟十号、神舟十一号、天舟一号五艘飞船前后总计十次交会对接任务中发挥了关键作用。

在天宫二号空间实验室与天舟一号货运飞船交会对接任务中200Nms变速控制力矩陀螺的表现更为优异,首先组合体规模较以往神舟飞船/天宫实验室组合体更大,超过了20吨,转动惯量超出50%,实施燃料在轨补加任务时干扰更大。

除此之外,天舟二号还针对天宫二号实施了绕飞试验,此任务需要天宫二号由倒飞转正飞快速调向,当时力矩陀螺就发挥了作用,全程没有动用RCS姿控动力。

控制力矩陀螺相较于RCS姿控动力除了零燃料消耗的天然优势, 还有对航天器柔性部件干扰最小化的优势 ,对于大型空间站而言更是不可或缺的核心技术装备。

发展载人航天是利国利民的千年大计,然而每每谈起载人航天的作用时却是乏善可陈,随着太空应用技术日趋成熟,进而走进千家万户,这一刻板印象早就该扫进 历史 的垃圾堆。

例如,最先应用变速控制力矩陀螺的航天器是载人航天工程旗下天宫一号目标飞行器,尔后以此为基础衍生了一大批适应不同吨位量级的力矩陀螺产品,角动量范围覆盖0.1Nms到1500Nms。有服务中小卫星平台的5Nms力矩陀螺,也有动态响应快、力矩分辨率高的10Nms与25Nms力矩陀螺,还有服务大型航天器的1000Nms至1500Nms力矩陀螺。

以遥感卫星为代表的应用型航天器目前已经实现控制力矩陀螺的广泛应用,而这都要拜载人航天工程需求牵引产业升级所赐。

控制力矩陀螺的优势具体如下:

1.燃料零消耗,载人航天器运行成本显著降低,非载人应用型航天器寿命更长;

2.机动能力更强,载人航天任务适应性强,非载人应用型航天器应用空间更广泛;

3.高稳定性,对航天器柔性部件更友好。

天宫空间站的规模是空间实验室阶段的五至六倍,自然需要性能更强的大型控制力矩陀螺(由于当前我国有多个大型控制力矩陀螺方案,最终选择何种方案并没有明确的公开信息,因此后文以较成熟的1000Nms控制力矩陀螺为例撰写)。

大型控制力矩陀螺可以调整空间站姿态,在实施交会对接任务时为载人飞船提供便利,同时也能实施连续偏航机动使空间站太阳能电池板高效率对日指向。 目前世界上能研制此类装备的国家不超过3个 。

1000Nms控制力矩陀螺由“转子-框架”与“机架驱动-机座”两部分构成,工作时重10公斤的转子在框架内高速旋转,每分钟转速可达7000转,同时,“转子-框架”部分可整体按照给定速度旋转,进而高效输出力矩。

天宫一号与天宫二号两座空间实验室的力矩陀螺安装在非密封的资源舱内,而天宫空间站核心舱6部大型力矩陀螺则安装在舱体外表面,这是为什么呢?

力矩陀螺是空间站的主要活动部件,同时也是较大的噪声源之一,空间实验室阶段航天员在轨驻留最长时间不超过1个月,而空间站阶段航天员在轨驻留时间通常是半年,对噪声的控制就要格外重视。

例如, 国际空间站星辰号服务舱的噪音就高达74db,航天员在此舱连续工作生活10天就会暂时失聪,而如果连续工作生活三个月就会永久失聪,可见噪声抑制的重要性 。

天和一号核心舱将力矩陀螺安装在舱体外表面可以最大限度隔离噪声,该舱段各系统集成化程度比起国际空间站星辰号服务舱要高得多,意味着噪声源更多,但我们能够把航天员睡眠区全部设置在核心舱内,由此足见其优异的噪声抑制水平。

在空间站建设期间组合体会面临多种构型的姿态控制考验,问天实验舱与核心舱轴向对接时是一字形,问天实验舱与核心舱转位对接后则是L形,梦天实验舱与核心舱对接后又是T字形。

尤其是转位机械臂托举重达22吨的实验舱进行转位对接时,空间站组合体会产生巨大的转动惯量,而转位组装期间无法使用RCS姿控动力进行姿态稳定控制,不论是组合体转位对接,还是空间站稳定运行都离不开大型控制力矩陀螺。

大型控制力矩陀螺相较于天宫二号空间实验室的200Nms变速控制力矩陀螺性能提升了数倍以上,因而自身规模也发生了变化, 单个陀螺仪重量达到了125公斤 ,在地面总装工作中这一重量远远超出了人力极限,如果采用传统吊装形式安装,则安装精度无法保证,恰恰力矩陀螺对安装精度历来要求严苛。

同时,6个力矩陀螺为了适应各自的力矩输出任务,设计了各不相同的安装位置。既要保证安装精度,又要适应复杂的安装位置,可谓是难上加难,因此科研人员专门设计了机器人精密装配系统。

该系统以500公斤承载力机械臂为主体,针对球形力矩陀螺专门设计了抓取工具,并将机器人系统与VR/AR信息系统相连,最终实现人在回路中的控制能力,机械臂基于人体感知力可以将球形力矩陀螺放进缝隙仅有3毫米的安装孔中。

天宫空间站力矩陀螺有6个,比国际空间站Z1桁架上的4个陀螺仪配置还多出2个,这是吸取了后者的运营经验教训,作为高速旋转的活动部件出现故障的概率也较高,国际空间站多次重大故障均与之相关,天宫更多的陀螺仪配置意味着冗余能力更强。

从在轨维修角度考虑,天宫空间站力矩陀螺外挂于舱体表面也有利于航天员出舱更换。

我国当前还在研制全球最大磁悬浮轴承1500Nms控制力矩陀螺 ,天宫空间站与国际空间站应用的力矩陀螺则都是机械式滚珠轴承。与后者相比,前者具有显著的转速高、输出力矩更大、无摩擦、长寿命等优势,属于跨代性质的技术进步,此技术路线未来还将在环月轨道载人空间站、大型空间太阳能电站等新一代超大型航天平台的建设中发挥关键作用。

航天级陀螺仪产品历来是国外严密封锁的高技术装备,然而以控制力矩陀螺为例,从打破封锁在轨应用到引领世界我们只用了不到十年时间。生动的实践证明走独立自主的 科技 强国之路会越走越顺畅,最终我们也必将到达一览众小的巅峰高地。