虽然我是一名小小的设计师，
但是非常荣幸通过研制机械臂，
为国家载人航天事业贡献微薄的力量。


朱超 · 航天五院总体设计部工程师
格致校园第28期 | 2022年7月16日 北京


大家好！我是朱超，来自航天五院总体设计部。我现在是中国空间站机械臂的一名设计师，今天很荣幸和大家分享机械臂研制的故事。
大家想不想知道太空是什么样的，然后再到太空里面去看看我们的地球是什么样的？肯定很多人想知道吧。

现在，我们就有一个利器能够看到这样的景象：中国空间站。右图是中国空间站在轨的状态的模拟图，它的轨道距离地面有400公里。很多喜爱航天的朋友，大家偶尔看见夜空中有一个点闪过，那有可能就是中国空间站过境。左图就是网友拍摄的中国空间站过境的状态，在夜空划出了一道美丽的弧线。


在中国空间里，航天员就可以透过舷窗，领略宇宙馈赠的绝美风景。



空间站到底是什么样子、具有怎么样的功能呢？上面是未来空间站建造完成后的形态，总共有6个模块：中间的部分是核心舱，左右两侧是问天舱和梦天舱两个舱段，未来还有载人飞船和货运飞船和它进行对接。
机械臂：组装建造小能手
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那么，我们这么庞大的舱体是怎么样运到太空中的？答案是通过火箭发射上去的。例如长征五号火箭，俗称“胖五”，它是我国目前运载能力最强的火箭。



实际上，即使是胖五，也不能将整个空间站运送发射上天，而是把空间站的一个一个模块装在上面发射上去。
这是空间站主体的建造过程。未来的舱段对接完成后，首先要进行姿态的转移，即通过转位机构转换对应的姿态。未来的空间站主舱建造完成后，太阳翼还可以进行运动。
我们空间站是有30多吨重、长达38米的庞大物体，它悬浮在太空里面，如果舱外的设备坏了，或者有国外的飞行器对我们进行监视，怎么办？这时候我们中国空间站的黑科技——空间机械臂就能派上用场了。

它能像机器人那样在舱体上来回爬行，执行很多任务。这是空间机械臂在舱外监视、捕获悬停飞行器和开展状态检查的场景。
我们再通过这段视频，详细看一看机械臂到底能做什么。它能通过相机进行巡检；可以抓一个重达十几吨的很大的舱段；另外，它还能捕获一个特别大的会动的目标；同时会辅助航天员进行出舱活动；还可以转移太阳翼；以及进行状态的检查。在这段视频中，机械臂是不是看起来非常灵活？大家想不想知道这个机械臂到底是如何设计出来的呢？
机械臂的设计与测试
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机械臂的设计灵感来源于哪儿？人类的手臂。我们手臂有肩部、肘部、腕部三个重要部分。

如果将朝一个方向运动称作一个自由度，我们手臂有7个自由度。比如我的肩部可以向3维空间的任何一个方向转动，所以有3个自由度；我的肘只能在一个方向上打开收缩，所以是1个自由度；我的腕部也是可以向3个方向转动。所以最后总结下来就有7个自由度。因为机械臂的设计灵感来源于我们真实的手臂，所以机械臂其实也具有7个自由度，不过它是通过7个关节实现的。机械臂在运动过程中像我们的手臂一样，可以到达任何可及的范围。
这段视频展示了机械臂的组成，包括关节、末端、相机、臂杆、压紧以及目标适配器。它长达10米，相当于4层楼的高度。在末端有一个相机可以进行状态监视和目标识别。

机械臂是不是就这几个部件组成的呢？实际上不是的。从2006年开始论证到2021年发射成功，我们上百人的团队用了整整15年。每个机械臂有大概1.8万个零部件，背后还有50万行代码，是一个非常复杂的系统，可以说耗费了我们很大的心血。

举个看似不起眼的例子——机械臂上面的国旗。可以看到国旗非常鲜艳，但背后凝聚了我们很多心血。由于空间辐射环境，普通的国旗可能过个几个月颜色就被完全腐蚀了。于是我们自主研发了红色和黄色的涂层，将它喷在固体的表面，最后镶嵌到机械臂上，才能形成这样比较完美的状态。
设计完成的机械臂是不是就可以直接上天？显然不是的。我们还要做大量的地面实验，来验证设计是否正确。

首先第一个面临的问题就是空间环境。地面上是有重力的，所以人们走路的时候非常平稳。我们的机械臂有0.74吨，相当于半辆小汽车的重量，在地面上一两个人是很难推动的。而在太空里面是零重力的环境，不用力自身就会悬浮在太空中。因此我们需要给机械臂设计一个失重的环境，将它在地面上悬浮，并且进行灵活的运动。

左图两个红圈，是我们用工装使机械臂支撑在地面上。然后怎么使其悬浮呢？这是非常有讲究的。右图红圈中是一个黑色的气足，在它里面充入高压气体的，这样可以让它悬浮起来。
这个视频是机械臂在地面做实验的场景。黑色气足旁边的红色管路里，正不断地向内输送压缩空气。于是气足会向下喷气，与地面形成一层只有头发丝四分之一厚的气膜，这样我们在地面测试的过程中，机械臂的运动是非常平稳的。
实际上，空间环境除了刚才所说的失重外，还有剧烈的温差。我们地面上是不是二三十度就非常热了？太空里面是从零下100度到零上100度，差距是200多度，机械臂要在这样的环境中工作。

▲轴长16.64米，直径4.2米，重量22.5吨
在测试的时候，我们首先将机械臂和空间站组合、固定在一起。然后将整个空间站和机械臂送到右下图中的黑色大罐子中。之后将罐子封闭，往里面充氮气。温度区间可以设置为零上100度到零下100度。温度来来回回地进行循环，通过多次循环来检验机械臂的性能。
此外，机械臂还有很多很多这样的测试。比如我们还会将机械臂拆成散件，进行各种各样的地面测试。地面测试全部完成之后，机械臂才具备了上天的条件。
到太空中帮助航天员执行任务
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2021年4月29日，机械臂就随着空间站发射上天了。在发射成功的那一刻，我们是非常开心的。这是花费15年的时间研制成功的产品，大家当时都很激动。
但是在开心之余，我们还有一点忐忑。因为机械臂即将面临一个真正的大考——它要在太空里面进行运动、执行状态巡检等任务。以状态巡检为例，大家知道空间站外表面非常的大，还装了很多庞大的设备。如果外面的设备坏了、有损伤了，我们通过地面无法判断的时候，我们怎么办？这就需要机械臂出场了。

像左图就是太阳翼，空间站太阳翼展开后非常大，是为空间站供电的。一旦太阳翼有损伤，空间站便不能发电，我们的航天员在里面就无法生活了，所以这个非常重要。右图就是机械臂转成一个指定的构型去巡检太阳翼的状态。


这是机械臂在运动的状态。根据地面的指令，它就能转移到指定的位置，用末端的相机给太阳翼拍照。
还有就是机械臂执行出舱任务。出舱任务非常复杂，除了机械臂自身运动之外，还需要人机的协同。下面这个视频就是机械臂执行出舱任务的场景。


首先，通过地面指令将机械臂移动到出舱口，等待航天员来装设备。视频中航天员先在机械臂的末端固定一个脚限位器，方便航天员踩上去后卡住。
接下来安装一个特别大的操作台。航天员将设备都挂在操作台上，不用人手拿着，还可以通过机械臂直接转移。在航天员安装的时候，机械臂是柔性晃动的，所以在天上操作是非常困难的。
接下来，机械臂就能载着航天员，带着从舱内传出来设备，进行大范围的转移，可以看到画面右方空间站外侧已经有一位航天员在工作，中间站在机械臂上的航天员抓着一个设备。最后这个场景，是机械臂载着航天员在这个区域安装一台设备。这个时候航天员会通过专用工具进行操作，机械臂处于静止状态，可以保证航天员有足够的支撑。
视频中航天员在机械臂上操作得非常灵活，其实航天员在地面上就需要和机械臂进行大量的合练，这个训练的时间会持续1-2年。那么我们又遇到了同样的难题，如何在地面去模拟空间中的失重环境？我们就在水下通过水的浮力去抵消机械臂的重力，形成一个失重的环境。

左图画圈的地方就是我们研制的水下机械臂，当然它和天上的机械臂是有些差别的。在合练过程中，我们会配合航天员进行整个任务，每次航天员要进行长达6个小时的训练。任务结束之后，我们也在一起交流。作为设计人员，能够参与这样一个重要的任务，并且可以和航天员近距离的接触，我是非常自豪的。

▲左：2008年神舟七号
右：2021年神舟十三号
大家了解了机械臂的作用，但是可能还不明白这个作用的重要性。下面给大家讲一个小故事。2008年神舟七号发射后，翟志刚代表中国航天员首次进行太空出舱任务。这是具有历史意义的一刻，当时他穿着飞天航天服，出舱了16分钟，只是在舱口附近进行了简单的操作。2021年，神舟十三号发射后，翟志刚作为中国唯一一位两次出舱的航天员，与王亚平一起出舱，完成了7个小时的任务，非常成功，机械臂可以送航天员到达想要去的任何位置。从这两个对比来看，可以发现机械臂让航天员的作业时间更长、到达地方更远，这就是机械臂的重要性。


未来，我们的机械臂并不只有以上这些任务。目前（2022年7月）在轨的机械臂只有10米长，上面的视频展示了我们还会发射另外一条5米长的“问天”机械臂。将它们组合在一起之后，两个机械臂互相“握手”去执行任务，任务完成后脱开。另外还会通过组合臂去执行舱外巡检，支持航天员出舱等等任务。
虽然我是一名小小的设计师，但是非常荣幸，在团队中通过15年的时间成功研制了机械臂，能够通过自己的工作为国家载人航天事业贡献微薄的力量。未来希望更多的小朋友能够了解航天，加入我们。我们的征途一定是星辰宇宙！


谢谢大家！


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