Космический манипулятор: как это работает
- Лето 2005 года Космонавт Стивен Робинсон стоит на ножной платформе, установленной на манипуляторе SSRMS, либо Canadarm2 (миссия STS-114).
Характеристики космических манипуляторов
Эволюция наделила человека необычными по собственному совершенству манипуляторами — руками. С их помощью мы можем творить чудеса. Громадный палец, противопоставленный остальным, и эластичные сочленения превращают руки фактически в совершенный инструмент.
Немудрено, что в качестве прототипа для многих механических конструкций человек применяет как раз собственные руки. И космические манипуляторы не исключение. Их не так много.
самая известная (и сейчас использующаяся на МКС) мобильная совокупность — MSS, чаще именуемая Canadarm2, не смотря на то, что в действительности Canadarm2 — это только один из ее элементов. Совокупность была создана канадской компанией MDA Space Missions по заказу Канадского космического агентства и стала развитием более несложного устройства Canadarm, использовавшегося на американских шаттлах.
- 2013 год, ERA (European Robotic Arm) Ввиду того что манипулятор ERA до тех пор пока существует лишь в лабораторных условиях, живописцам предоставлена полная свобода действий. На скетче изображена совокупность ERA, поддерживающая астронавта (а не космонавта! — модуль-то российский) на протяжении работы в открытом космосе.
В скором будущем на станцию обязана отправиться совокупность-«соперник», European Robotic Arm (ERA), созданная экспертами Европейского центра космических технологий и исследований, базирующегося в голландском Нордвейке. Но обо всем по порядку.
Кленовый лист
Интернациональная космическая станция была открыта во второй половине 90-ых годов двадцатого века, а 19 апреля 2001-го к ней отправился американский корабль STS-100, несший груз необычайной важности. Главной задачей экипажа была доставка на МКС дистанционного манипулятора SSRMS (Canadarm2) и его монтаж. Совокупность удачно установили — она стала глобальным вкладом Канадского агентства в постройку интернациональной станции.
Совокупность MSS складывается из трех главных компонентов: главного манипулятора (SSRMS, она же Canadarm2); манипулятора особого назначения (SPDM, он же Dextre) и мобильной сервисной базисной совокупности (MBS).
MBS — это, по сути, базисная платформа, на которой устанавливаются манипуляторы. Она существенно расширяет территорию действия Canadarm2. В то время, когда «рука» установлена на MBS, она получает подвижное основание, талантливое двигаться по поверхности станции на рельсах со скоростью до 2,5 см/с.
Помимо этого, к MBS возможно крепить грузы — так, забрав один груз, манипулятор может «припарковать» его на MBS и потянуться за вторым.
Главный манипулятор совокупности — это, фактически, 17,6-метровая SSRMS, оснащенная семью моторизированными суставами. Ее личная масса — 1800 кг, а большая масса перемещаемого манипулятором груза может быть около 116 т (!). Но, при отсутствии земного притяжения это не такое и много; оно ограничено прежде всего влиянием инерционных сил.
- 18 мая 2011 года — Из рук в руки На протяжении миссии STS-134 манипулятор «Шаттла» Canadarm передает манипулятору МКС Canadarm2 груз — транспортно-складскую палету для установки на орбитальной станции.
самый интересный элемент совокупности — это Dextre, двурукий, фактически человекообразный телескопический манипулятор. Он показался на МКС существенно позднее — в 2008 году с миссией STS-123. Снаружи Dextre напоминает 3,5-метрового безрассудного человека с руками длиной по 3,35 м. Примечательно, что нижней частью он может крепиться и к MBS, и к самой Canadarm2, так еще удлиняя ее и разрешая проводить более узкие операции.
На финишах рук Dextre установлены механизмы OTCM (ORU/Tool Changeout Mechanisms) со встроенными «челюстями"-хватателями, прожекторами и телекамерой. Помимо этого, в механизмах имеется гнездо для сменных инструментов, каковые сохраняются в «туловище».
В общем и целом сочетание MBS, Canadarm2 и Dextre разрешает «закрывать» потребности большей части станции — перемещать грузы разного размера, пристыковывать модули, переносить астронавтов с точки на точку. Для каждой функции помогают разные инструменты-«насадки». Главный пульт управления находится на американском модуле Destiny, активированном в феврале 2001 года, вторичный — на обзорном европейском на данный момент (установлен в 2010-м).
MSS в полной мере справляется с разгрузкой шаттлов, перемещением астронавтов на протяжении выходов в открытый космос, пристыковкой новых модулей. Но одной манипуляторной совокупности все-таки не достаточно — особенно учитывая постепенный рост МКС и появление все новых юнитов и лабораторий. Исходя из этого для модуля Kibo, запущенного в 2008 году, японцы создали собственный личный манипулятор, предназначенный для локальных потребностей.
Красный круг
Всё достаточно легко: с повышением количества модулей MBS «дотягиваться» до разных финишей МКС. Плюс к тому — в некоторых обстановках на применение манипуляторной совокупности выстраивается целая очередь. Так, новым модулям для в полной мере скромных лабораторных потребностей необходимы свободные «руки».
- 2008 год, SSRMS Наглядное сравнение: нижний манипулятор — SSRMS (Canadarm2), верхний — японский JEMRMS. Исполнение совместной задачи напоминает еду палочками.
Первой ласточкой в данной области стал манипулятор JEMRMS, где JEM — это Japanese Experiment Module (японский экспериментальный модуль), а RMS — Remote Manipulator System (управляемая манипуляторная совокупность). JEMRMS установлен над шлюзом модуля Kibo и разрешает загружать оборудование вовнутрь либо извлекать его наружу.
JEMRMS складывается из двух элементов — главной «руки» (Main Arm, MA) и вспомогательной, предназначенной для узких работ (Small Fine Arm, SFA). Малая «рука» устанавливается на громадную — совершенно верно так же, как Dextre возможно продолжением Canadarm2. По сути, японский манипулятор — это уменьшенная и упрощенная вариация на тему MSS, управляемой из одного локального модуля и делающей задачи в рамках его ограниченных потребностей.
Двенадцать звезд
Если судить по намечающимся тенденциям, уже через 10−15 лет МКС «обрастет» малыми манипуляторами, как еж иголками. Причем любой из них будет снижать неспециализированную роль изначальной Canadarm2, создавая здоровую борьбу. В частности, зимний период 2013−2014 годов (старт уже пара раз переносился, предварительно новая дата назначена на декабрь) на станцию полетит еще один модуль, «обремененный» манипулятором.
- 2008 год — Dextre Робот Dextre (SPDM) установлен на законцовке манипулятора Canadarm2 — это разрешает последнему делать более узкие задачи, а первому — существенно увеличить радиус действия.
В этом случае модуль будет русским — это многофункциональный лабораторный комплекс «Наука», а манипулятор — европейским. «Руку» ERA (European Robotic Arm) создали в НИИ Космического агентства ЕС в голландском городе Нордвейк. Трудились над роботом десятки инженеров из различных государств.
ERA разрешает перемещать маленькие грузы (массой до 8 т) вовнутрь модуля и наружу. Помимо этого, манипулятор приспособлен чтобы переносить и удерживать астронавтов на протяжении внешних работ, что без шуток сэкономит время при перемещении в открытом космосе. Намного проще быть мгновенно переброшенным посредством манипулятора, чем продолжительно и бережно «ползти» по поверхности модуля.
В собственной начальной конфигурации ERA взяла прозвище «Чарли Чаплин» за характерную форму «тела» в сложенном виде.
Примечательно, что на поверхности модуля будет пара креплений для манипулятора, а «рука» есть «двусторонней», другими словами она симметрична, с обеих ее финишей находятся гнезда, каковые могут служить для установки инструментов, а смогут трудиться крепежами. Так, ERA не должна быть жестко закреплена в одном месте. Она может самостоятельно «перебраться» на другую локацию, вначале зафиксировав в том месте один финиш, а после этого открепив второй от начальной точки установки.
По сути, ERA может «шагать».
- 15 июля 2001 года — Первая работа Манипулятор Canadarm2 делает первое официальное задание в составе МКС: подводит совместный шлюзовой отсек «Квест» к американскому модулю «Юнити» (миссия STS-104)
Манипулятор имеет три сегмента. По центру находится локтевой шарнир, трудящийся в одной плоскости, а на финишах — сочетание «суставов», талантливых поменять положение «руки» в различных плоскостях. Суммарная протяженность манипулятора в развернутом виде — 11 м, наряду с этим точность позиционирования объекта — 5 мм.
молот и Серп
Нужно заявить, что манипуляторы на Интернациональной космической станции имеют историю, которая тянется в прошлое, в то время, когда никакой МКС еще не было. В частности, Canadarm2 создана на базе разработок, опробованных на втором манипуляторе — Canadarm. Он был создан еще во второй половине семидесятых годов прошлого века и в первый раз отправился в космос в 1981-м на шаттле «Колумбия» (миссия STS-2).
Он воображал собой 15-метровую космическую «руку» с шестью степенями свободы. Как раз посредством Canadarm — еще до появления более идеальных совокупностей — монтировалась вся база МКС, планировал телескоп Hubble и т. д. В течение многих лет Canadarm был не просто главным, но единственным космическим манипулятором с несколькими сегментами, другими словами выстроенным по принципу людской руки.
Последней миссией, где он употреблялся, стала STS-135 в июле 2011 года; сейчас на него возможно взглянуть лишь в музее. К примеру, экземпляр с шаттла Endeavour хранится в Канадском авиакосмическом музее в Оттаве.
Но появляется вопрос. Сейчас Российская Федерация деятельно сотрудничает с другими странами в области освоения космоса. А какие конкретно манипуляторы использовались, к примеру, на станции «Мир»? В 1990-х это были именно «Канадармы», потому, что в первой половине 90-ых годов двадцатого века был дан старт совместной российско-американской программе «Мир» — «Шаттл».
А до того наиболее значимыми операционными устройствами «Мира» были краны «Стрела» (ГСт).
Сейчас два крана «Стрела» употребляются на русском сегменте МКС. По конструкции они коренным образом отличаются от сегментных манипуляторов — это 15-метровая телескопическая конструкция. Она может уменьшаться и поворачиваться, но имеет намного меньше степеней свободы, чем Canadarm либо ERA.
Кроме того, любой из модулей «Мира» был оборудован роботизированной рукой с захватом — что-то наподобие маленького бессегментного крана-манипулятора. Они употреблялись прежде всего для монтажа новых модулей станции.
Но, для «Бурана» в Центральном научно-исследовательском и умело-конструкторском университете робототехники и технической кибернетики некогда был создан коммунистический аналог «Канадарма» — манипулятор «Аист». По конструкции он фактически не отличался от Canadarm — те же шесть степеней свободы, два легких углепластиковых звена («локоть» и «плечо»). Но «Аисту», в полной мере идеальному технически, не повезло.
- 1988 год — «Аист» .Манипулятор «Аист» на стенде, имитирующем невесомость. Симулируется установка манипулятора к правому борту «Бурана», в точках сочленений устройство подвешено на особых узлах.
Программа «Буран» была приостановлена по окончании всего лишь одного пробного полета, на протяжении которого манипулятор не устанавливался. «Аисты» ни при каких обстоятельствах не употреблялись в космосе; более того, их наработки не послужили кроме того потребностям «Мира» и МКС. В следствии данный манипулятор был удачно испытан на стенде, но так и остался одним из масштабных незавершенных проектов советской эры.
Ручная работа
Систематизируя данные, возможно сделать вывод о том, что с повышением количества государств — участниц МКС разнообразие манипуляторов также будет расти. Вначале обходились одним «Канадармом» (а на «Мире» — «Стрелой»), после этого для МКС потребовалась расширенная совокупность — показались Canadarm2 и Dextre. Сейчас же любой новый модуль требует собственной грузовой совокупности — так были созданы JEMRMS и ERA.
Со временем русскому сегменту также нужно будет заняться собственными разработками, тем более что существуют разработке, созданные и испытанные еще для «Аиста».
А вдруг Китай реализует собственную грандиозную программу «Тяньгун» («Небесный чертог»), то в ближайщее время последовательности космических манипуляторов пополнятся большим числом китайских моделей. Но, бренд «Сделано в Китае» в наши дни звучит уже достаточно гордо, в особенности в случае если дело касается космических разработок.
Статья «Космические руки» размещена в издании «Популярная механика» (№132, октябрь 2013).
<
h4>