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机械臂我们都知道

  太空垃圾的历史就是人类探索太空的历史。人类每一次发射火箭,无论成败,或多或少都会留下一些太空垃圾,包括失效的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、空间物体碰撞产生的碎块等。日积月累,太空垃圾对人类太空探索的掣肘已经到了一个不容忽视的地步。

  (太空垃圾已经成为了威胁人类太空活动的“定时炸弹”,地球已经被“垃圾光环”所包围)

  事实上,太空垃圾在产生时并不具备稳定的轨道,有相当一部分太空垃圾受到地球引力的作用,又重新回到大气层并被烧毁。但在轨道上飞行的太空垃圾已经处于稳定状态,以每秒几公里的速度高速运行,若是撞上它们可能会严重损坏航天器,更会直接威胁到在舱外活动的航天员的生命安全。

  一片毫米级别的太空碎片就可以威胁到宇航员的生命安全,一片厘米级别的太空碎片就有可能打坏卫星上的关键部件,而一片分米级别的太空碎片就有可能直接摧毁一个航天器。根据保守估计,目前在轨道上飞行的毫米级以上太空垃圾数以亿计,尺寸大于一分米的至少有1.6万片。

  在卫星和空间站运作时,地面观测站必须随时监控威胁航天器的空间碎片,一旦航天器处于危险时,地面人员将指挥航天器耗费宝贵的燃料进行紧急机动变轨。航天器在碎片靠近时不得不“敬而远之”,提前规避,这严重降低了人类宇航活动的效率。

  尽管中国自身并不产生大量的太空垃圾,但作为《外太空公约》的签署国,我们承诺控制和减少太空垃圾,并不停尝试突破空间碎片清理技术,“遨龙一号” 空间碎片主动清理飞行器应运而生。2016年6月25日, “长征七号”运载火箭搭载着“遨龙一号”,于海南文昌发射升空。

  此前,各国针对清除太空垃圾也做了很多测试,例如日本太空研发机构为了清除太空垃圾研发出HTV-6,但这项计划的核心——“天钩”飞行器没有顺利释放,而正式宣告任务失败。

  “遨龙一号”上面装配了一台小型机械臂,这条“手臂”赋予了它抓取推动各类太空碎片的能力。它的目的是强行控制太空垃圾,但做到这一点并非易事,为了完成设计指标,“遨龙一号”起码要具备定点停留和不断跟踪绕行目标碎片的能力,这要求它对机械臂力度有良好的控制,同时具备强大的机动性和可快速自行识别瞄准的捕获能力。

  这款卫星秉持着“清道夫”精神,并采用了高效的清除手段,“遨龙一号”清除太空垃圾时并不会集中后运回地球,而是会推动太空垃圾脱离轨道,使其进入大气层中烧毁。

  “遨龙一号”的出现不仅为中国的太空清扫技术铺平了道路,同时测试的六项技术创新点对于未来中国大型空间站的建设有着重大意义。

  (“遨龙一号”所测试的六大新技术可以直接用于未来空间站机械臂的设计,来源:CCTV)

  机械臂我们都知道,而模块化机械臂又是什么?实现良好的机械连接和适应任务的组件功能是模块化的两大要素,各航天大国都致力于将卫星制造模块化,以提升在关键时刻的卫星制造速度。

  通过快速设计工具,“遨龙一号”的机械臂系统被成功安装于卫星本体的结构板上。在未来,如果有必要,这套机械臂组件同样可以安装于其他卫星平台上,成为一款“货架产品”。

  这款机械臂系统充分融合了仿生学、机械、电子控制等多学科技术,前者保持抓取的灵活性,而后者则尽量在抓取过程中保持大的冗余空间,经过“遨龙一号”的实际操作试验,机械臂在太空环境下的可靠性得到了验证,可以对漂浮的空间碎片和小型废弃卫星进行抓捕。

  当然了,对于“遨龙一号”来说,有一只灵巧的手还远远不够,还需要一双善于捕捉目标的“眼睛”来配合使用。

  接触式欠自由度等小空间测量标定法与多传感器信息融合及修补轨迹算法,通过卫星上多个传感器的探测,卫星能够获取并合成物体的精确轨迹,再根据各项参数实现对未来轨迹的计算。

  等到卫星成功靠近并抓取碎片后,机械臂上的传感器会带来物体的力学性质,使得机械臂能够掌握合适的力度,防止碎片因为机械臂力度过大而碎裂,或是因为力度较小而逃逸。

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