Где можно найти размеры космических манипуляторов. Конструкция "Бурана": бортовые системы

2:10 03/10/2016

1 👁 984

Наверное, все хотя бы раз видели фотоснимки . Как вы думаете, какая её составляющая важнее всего? Жилые помещения? Лабораторные модули? Противометеоритные панели? Нет. Без любого модуля можно обойтись. А вот без космических манипуляторов - никак. Именно они служат для разгрузки и загрузки кораблей, помощи при стыковке, позволяют проводить все наружные работы. Без них станция мертва.

Эволюция наделила человека удивительными по своему совершенству манипуляторами - руками. С их помощью мы можем творить чудеса. Большой палец, противопоставленный остальным, и гибкие сочленения превращают руки практически в идеальный инструмент. Немудрено, что в качестве прототипа для многих механических конструкций человек использует именно свои руки. И космические манипуляторы не исключение. Их не так много.

Наиболее известная (и ныне применяющаяся на МКС) мобильная система - MSS, чаще называемая Canadarm2, хотя на самом деле Canadarm2 - это лишь один из ее элементов. Система была разработана канадской компанией MDA Space Missions по заказу Канадского космического агентства и стала развитием более простого устройства Canadarm, применявшегося на американских шаттлах.

В ближайшее время на должна отправиться система-«конкурент», European Robotic Arm (ERA), разработанная специалистами Европейского центра космических исследований и технологий, базирующегося в голландском Нордвейке. Но обо всем по порядку.

Кленовый лист

Система MSS состоит из трех основных компонентов: основного манипулятора (SSRMS, она же Canadarm2); манипулятора специального назначения (SPDM, он же Dextre) и мобильной сервисной базовой системы (MBS).

MBS - это, по сути, базовая платформа, на которой устанавливаются манипуляторы. Она значительно расширяет зону действия Canadarm2. Когда «рука» установлена на MBS, она приобретает подвижное основание, способное двигаться по поверхности станции на рельсах со скоростью до 2,5 см/с. Кроме того, к MBS можно крепить грузы - таким образом, взяв один груз, манипулятор может «припарковать» его на MBS и потянуться за другим.

Основной манипулятор системы - это, собственно, 17,6-метровая SSRMS, оснащенная семью моторизированными суставами. Ее собственная масса - 1800 кг, а максимальная масса перемещаемого манипулятором груза может достигать 116 т (!). Впрочем, при отсутствии земного притяжения это не такое и большое число; оно ограничено в первую очередь влиянием инерционных сил.

Во время миссии STS-134 манипулятор «Шаттла» Canadarm передает манипулятору МКС Canadarm2 груз - транспортно-складскую палету для установки на орбитальной станции.

Наиболее интересный элемент системы - это Dextre, двурукий, практически человекообразный телескопический манипулятор. Он появился на МКС значительно позже - в 2008 году с миссией STS-123. Внешне Dextre напоминает 3,5-метрового безголового человека с руками длиной по 3,35 м. Интересно, что нижней частью он может крепиться и к MBS, и к самой Canadarm2, таким образом еще удлиняя ее и позволяя проводить более тонкие операции.

На концах рук Dextre установлены механизмы OTCM (ORU/Tool Changeout Mechanisms) со встроенными «челюстями”-хватателями, телекамерой и прожекторами. Кроме того, в механизмах есть гнездо для сменных инструментов, которые хранятся в «туловище».

В общем и целом сочетание MBS, Canadarm2 и Dextre позволяет «закрывать» нужды большей части станции - перемещать грузы различного размера, пристыковывать модули, переносить космонавтов с точки на точку. Для каждой функции служат различные инструменты-«насадки». Основной пульт управления находится на американском модуле Destiny, активированном в феврале 2001 года, вторичный - на обзорном европейском Cupola (установлен в 2010-м).

MSS вполне справляется с разгрузкой шаттлов, перемещением космонавтов во время выходов в открытый космос, пристыковкой новых модулей. Но одной манипуляторной системы все-таки не хватает - особенно учитывая постепенный рост МКС и появление все новых юнитов и лабораторий. Поэтому для модуля Kibo, запущенного в 2008 году, японцы разработали свой собственный манипулятор, предназначенный для локальных нужд.

Красный круг

Всё достаточно просто: с увеличением количества модулей MBS просто перестает «дотягиваться» до различных концов МКС. Плюс к тому - в некоторых ситуациях на использование манипуляторной системы выстраивается целая очередь. Таким образом, новым модулям для вполне скромных лабораторных потребностей нужны независимые «руки».

Наглядное сравнение: нижний манипулятор - SSRMS (Canadarm2), верхний - японский JEMRMS. Выполнение совместной задачи напоминает еду палочками.

Первой ласточкой в этой области стал манипулятор JEMRMS, где JEM - это Japanese Experiment Module (японский экспериментальный модуль), а RMS - Remote Manipulator System (управляемая манипуляторная система). JEMRMS установлен над шлюзом модуля Kibo и позволяет загружать оборудование внутрь или извлекать его наружу.

JEMRMS состоит из двух элементов - основной «руки» (Main Arm, MA) и вспомогательной, предназначенной для тонких работ (Small Fine Arm, SFA). Малая «рука» устанавливается на большую - точно так же, как Dextre может быть продолжением Canadarm2. По сути, японский манипулятор - это уменьшенная и упрощенная вариация на тему MSS, управляемой из одного локального модуля и выполняющей задачи в рамках его ограниченных нужд.

Двенадцать звезд

Судя по намечающимся тенденциям, уже через 10−15 лет МКС «обрастет» малыми манипуляторами, как еж иголками. Причем каждый из них будет снижать общую роль изначальной Canadarm2, создавая здоровую конкуренцию. В частности, зимой 2013−2014 годов (старт уже несколько раз переносился, предварительно новая дата назначена на декабрь) на станцию полетит еще один модуль, «обремененный» манипулятором.

Робот Dextre (SPDM) установлен на законцовке манипулятора Canadarm2 - это позволяет последнему выполнять более тонкие задачи, а первому - значительно расширить радиус действия.

На этот раз модуль будет российским - это многофункциональный лабораторный комплекс «Наука», а манипулятор - европейским. «Руку» ERA (European Robotic Arm) создали в научно-исследовательском центре Европейского космического агентства в голландском городе Нордвейк. Работали над роботом десятки инженеров из разных стран мира.

ERA позволяет перемещать небольшие грузы (массой до 8 т) внутрь модуля и наружу. Кроме того, манипулятор приспособлен для того, чтобы переносить и удерживать космонавтов во время внешних работ, что серьезно сэкономит время при движении в открытом космосе. Значительно проще быть мгновенно переброшенным с помощью манипулятора, чем долго и аккуратно «ползти» по поверхности модуля. В своей начальной конфигурации ERA получила прозвище «Чарли Чаплин» за характерную форму «тела» в сложенном виде.

Интересно, что на поверхности модуля будет несколько креплений для манипулятора, а «рука» является «двусторонней», то есть она симметрична, с обеих ее концов находятся гнезда, которые могут служить для установки инструментов, а могут работать крепежами. Таким образом, ERA не должна быть жестко закреплена в одном месте. Она может самостоятельно «перебраться» на другую локацию, сперва зафиксировав там один конец, а затем открепив другой от первоначальной точки установки. По сути, ERA умеет «шагать».

Манипулятор Canadarm2 выполняет 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, работающий в одной плоскости, а на концах - сочетание «суставов», способных менять положение «руки» в разных плоскостях. Суммарная длина манипулятора в развернутом виде - 11 м, при этом точность позиционирования объекта - 5 мм.

Серп и молот

Надо сказать, что манипуляторы на Международной космической станции имеют историю, которая тянется в прошлое, когда никакой МКС еще не было. В частности, Canadarm2 разработана на базе технологий, опробованных на другом манипуляторе - Canadarm. Он был создан еще в конце 1970-х годов и впервые отправился в космос в 1981-м на шаттле «Колумбия» (миссия STS-2).

Он представлял собой 15-метровую космическую «руку» с шестью степенями свободы. Именно с помощью Canadarm - еще до появления более совершенных систем - монтировалась вся основа МКС, собирался и т. д.В течение многих лет Canadarm был не просто основным, но единственным космическим манипулятором с несколькими сегментами, то есть построенным по принципу человеческой руки. Последней миссией, где он использовался, стала STS-135 в июле 2011 года; сегодня на него можно посмотреть только в музее. Например, экземпляр с шаттла Endeavour хранится в Канадском авиакосмическом музее в Оттаве.

Но возникает вопрос. Сегодня Россия активно сотрудничает с другими государствами в области освоения космоса. А какие манипуляторы применялись, например, на ? В 1990-х это были как раз «Канадармы», поскольку в 1994 году был дан старт совместной российско-американской программе «Мир» - «Шаттл». А до того важнейшими операционными устройствами «Мира» были краны «Стрела» (ГСт).

Сегодня два крана «Стрела» используются на российском сегменте МКС. По конструкции они коренным образом отличаются от сегментных манипуляторов - это 15-метровая телескопическая конструкция. Она может сокращаться и поворачиваться, но имеет значительно меньше степеней свободы, чем Canadarm или ERA. Помимо того, каждый из модулей «Мира» был оборудован роботизированной рукой с захватом - нечто вроде небольшого бессегментного крана-манипулятора. Они использовались в первую очередь для монтажа новых модулей станции.

Впрочем, для «Бурана» в Центральном научно-исследовательском и опытно-конструкторском институте робототехники и технической кибернетики некогда был разработан советский аналог «Канадарма» - манипулятор «Аист». По конструкции он практически не отличался от Canadarm - те же шесть степеней свободы, два легких углепластиковых звена («плечо» и «локоть»). Но «Аисту», вполне совершенному технически, не повезло.

Программа «Буран» была приостановлена после всего лишь одного пробного полета, в ходе которого манипулятор не устанавливался. «Аисты» никогда не использовались в космосе; более того, их наработки не послужили даже нуждам «Мира» и МКС. В результате этот манипулятор был успешно испытан на стенде, но так и остался одним из масштабных незавершенных проектов советской эпохи.

Ручная работа

Систематизируя информацию, можно сделать вывод о том, что с увеличением количества стран - участниц МКС разнообразие манипуляторов тоже будет расти. Сперва обходились одним «Канадармом» (а на «Мире» - «Стрелой»), затем для МКС потребовалась расширенная система - появились Canadarm2 и Dextre. Теперь же каждый новый модуль требует собственной грузовой системы - так были разработаны JEMRMS и ERA. Со временем российскому сегменту тоже придется заняться собственными разработками, тем более что существуют технологии, созданные и испытанные еще для «Аиста».

Средства обеспечения работ с полезным грузом: с истема бортовых манипуляторов "Аист"

Манипулятор для космического корабля "Буран" был разработан в Государственном научном центре - Центральном научно-исследовательском и опытно-конструкторском институте робототехники и технической кибернетики (ГНЦ ЦНИИ РТК РФ) (Санкт-Петербург). Это учреждение было организовано в конце 1960-х годов на основе Опытного конструкторского бюро технической кибернетики.

Для проведения испытаний в институте создали уникальный стенд (фото справа). Манипулятор, предназначенный для работы в открытом космосе, размещают на платформу, опирающуюся на воздушную подушку. Подобным образом проверяют и отрабатывают перемещение различных грузов в условиях искусственной невесомости. Манипулятор общей длиной (в "вытянутом" транспортном положении) 15 метров действует в трех плоскостях и имеет шесть вращательных степеней свободы. Система бортовых манипуляторов (СБМ) орбитального корабля состоит из двух манипуляторов весом по 360 кг - основного и резервного. На конце каждого манипулятора смонтирован захват, которым удерживается и перемещается полезный груз, при этом за ходом операции оператор наблюдает с помощью двух независимых телекамер, поворачивающихся в двух плоскостях, а прожектор освещает захват и нужное место на наружной поверхности космического аппарата или орбитальной станции.

Бурановский манипулятор имеет кинематическую схему, сходную с манипулятором Space Shuttle (RMS). Кроме шестивращательных степеней подвижности, он имеет одну транспортную степень (для начальной установки в грузовом отсеке корабля при закрытых створках грузового отсека). Звенья манипулятора ("плечо" и "локоть") выполнены шарнирно-стержневыми из легких, но прочных композиционных материалов (углепластика), которые приспособлены для космических условий с резким перепадом температур.

Управление манипулятором осуществляется через коммутатор, связанный с приводами звеньев и бортовым цифровым вычислительным комплексом (БЦВК) , что позволяет использовать несколько режимов управления.

В режиме ручного управления действиями манипулятора руководит оператор с помощью двух рукояток на пульте управления манипуляторами, расположенном на задней стенке в командном отсеке кабины корабля . Одна рукоятка обеспечивает перемещение собственно манипулятора, а другая связана непосредственно с захватами. Контроль за операцией оператор осуществляет с помощью уже упомянутой выносной телевизионной системы.

В автоматическом режиме управления манипулятор действует по заложенной в БЦВК программе. При этом БЦВК осуществляет связь манипулятора с оборудованием, размещенным вне корабля, рассчитывает оптимальную траекторию и требуемую скорость перемещения захватов с грузом, непрерывно контролируя работу всей системы, и при необходимости, внося необходимые коррективы.

В режиме целеуказания манипулятор может самостоятельно переместить захваты с полезным грузом в заранее заданную точку пространства.

Предусмотрен и резервный режим работы, при котором управляющие команды поступают на каждый шарнир манипулятора.

В отличие от своего американского аналога RMS , манипулятор "Бурана" имеет одну принципиальную особенность - он может управляться не только с борта орбитального корабля, но и с Земли. В этом случае в процессе работы из космоса напрямую в наземный Центр управления полетом (ЦУП) "сбрасывается" большой объем телеметрической информации, которая мгновенно анализируется, обрабатывается и полученные команды столь же быстро отправляются на орбиту и поступают в блок памяти БЦВК , откуда они передаются на манипулятор. Таким образом, оператор, находящийся в ЦУПе, сможет производить работы в открытом космосе с борта корабля, выполняющего непилотируемый автоматический полет.

Технические характеристики
Число степеней свободы	6 вращательных
Грузоподемность, т	30
Рабочая зона	сфера радиусом 15,5 м
Максимальная скорость, см/ сек: с грузом без груза	10 30
Точность позиционирования, см	3

Что же касается программ, помещаемых в блоках памяти БЦВК , то разработчики предусмотрели их хранение в основном и дополнительных блоках. Такое решение позволяет гибко планировать программу полета в зависимости от наличия или отсутствия экипажа на борту корабля.

В связи с закрытием программы "Энергия-Буран" манипулятор орбитального корабля так и не был испытан в условиях космического полета (в первом и единственном полете "Бурана" он не устанавливался, а второй полет в декабре 1991 г. , в котором предусматривалось его испытание, так и не состоялся), однако проведенное наземное натурное и компьютерное моделирование позволило определить следующие особенности его движения:

Д вижение пустого схвата сопровождается колебаниями с амплитудой 7-10 см и частотой 0.5-1 Гц;

П ри работе с грузом около 1 т амплитуда колебаний схвата за счет суммарной упругости (основная упругость сосредоточена в шарнирах и в схвате в месте крепления груза) составила 50 см;

- остановка груза весом 1.5 т и 6 т сопровождается колебательным переходным процессом со временем затухания порядка 2 и 4 минут соответственно.

Крепление бортового манипулятора:

Наверное, все хотя бы раз видели фотоснимки МКС. Как вы думаете, какая её составляющая важнее всего? Жилые помещения? Лабораторные модули? Противометеоритные панели? Нет. Без любого модуля можно обойтись. А вот без космических манипуляторов — никак. Именно они служал для разгрузки и загрузки кораблей, помощи при стыковке, позволяют проводить все наружные работы. Без них станция мертва.

Лето 2005 года Астронавт Стивен Робинсон стоит на ножной платформе, установленной на манипуляторе SSRMS, или Canadarm2 (миссия STS-114).

Тим Скоренко

Эволюция наделила человека удивительными по своему совершенству манипуляторами — руками. С их помощью мы можем творить чудеса. Большой палец, противопоставленный остальным, и гибкие сочленения превращают руки практически в идеальный инструмент. Немудрено, что в качестве прототипа для многих механических конструкций человек использует именно свои руки. И космические манипуляторы не исключение.

Их не так много. Наиболее известная (и ныне применяющаяся на МКС) мобильная система — MSS, чаще называемая Canadarm2, хотя на самом деле Canadarm2 — это лишь один из ее элементов. Система была разработана канадской компанией MDA Space Missions по заказу Канадского космического агентства и стала развитием более простого устройства Canadarm, применявшегося на американских шаттлах. В ближайшее время на станцию должна отправиться система-«конкурент», European Robotic Arm (ERA), разработанная специалистами Европейского центра космических исследований и технологий, базирующегося в голландском Нордвейке. Но обо всем по порядку.

15 июля 2001 года. Манипулятор Canadarm2 выполняет первое официальное задание в составе МКС: подводит совместный шлюзовой отсек «Квест» к американскому модулю «Юнити» (миссия STS-104).

Кленовый лист

Международная космическая станция была введена в эксплуатацию в 1998 году, а 19 апреля 2001-го к ней отправился американский корабль STS-100, несший груз необычайной важности. Основной задачей экипажа была доставка на МКС дистанционного манипулятора SSRMS (Canadarm2) и его монтаж. Систему успешно установили — она стала глобальным вкладом Канадского агентства в строительство международной станции. Система MSS состоит из трех основных компонентов: основного манипулятора (SSRMS, она же Canadarm2); манипулятора специального назначения (SPDM, он же Dextre) и мобильной сервисной базовой системы (MBS).

MBS — это, по сути, базовая платформа, на которой устанавливаются манипуляторы. Она значительно расширяет зону действия Canadarm2. Когда «рука» установлена на MBS, она приобретает подвижное основание, способное двигаться по поверхности станции на рельсах со скоростью до 2,5 см/с. Кроме того, к MBS можно крепить грузы — таким образом, взяв один груз, манипулятор может «припарковать» его на MBS и потянуться за другим.

18 мая 2011 года. Во время миссии STS-134 манипулятор «Шаттла» Canadarm передаёт манипулятору МКС Canadarm2 груз — транспортно-складскую палету для установки на орбитальной станции.

Основной манипулятор системы — это, собственно, 17,6-метровая SSRMS, оснащенная семью моторизированными суставами. Ее собственная масса — 1800 кг, а максимальная масса перемещаемого манипулятором груза может достигать 116 т (!). Впрочем, при отсутствии земного притяжения это не такое и большое число; оно ограничено в первую очередь влиянием инерционных сил.

Наиболее интересный элемент системы — это Dextre, двурукий, практически человекообразный телескопический манипулятор. Он появился на МКС значительно позже — в 2008 году с миссией STS-123. Внешне Dextre напоминает 3,5-метрового безголового человека с руками длиной по 3,35 м. Интересно, что нижней частью он может крепиться и к MBS, и к самой Canadarm2, таким образом еще удлиняя ее и позволяя проводить более тонкие операции.

На концах рук Dextre установлены механизмы OTCM (ORU/Tool Changeout Mechanisms) со встроенными «челюстями"-хватателями, телекамерой и прожекторами. Кроме того, в механизмах есть гнездо для сменных инструментов, которые хранятся в «туловище».

2008 год. Наглядное сравнение: нижний манипулятор — SSRMS (Canadarm2), верхний — японский JEMRMS. Выполнение совместной задачи напоминает еду палочками.

В общем и целом сочетание MBS, Canadarm2 и Dextre позволяет «закрывать» нужды большей части станции — перемещать грузы различного размера, пристыковывать модули, переносить космонавтов с точки на точку. Для каждой функции служат различные инструменты-«насадки». Основной пульт управления находится на американском модуле Destiny, активированном в феврале 2001 года, вторичный — на обзорном европейском Cupola (установлен в 2010-м).

MSS вполне справляется с разгрузкой шаттлов, перемещением космонавтов во время выходов в открытый космос, пристыковкой новых модулей. Но одной манипуляторной системы все-таки не хватает — особенно учитывая постепенный рост МКС и появление все новых юнитов и лабораторий. Поэтому для модуля Kibo, запущенного в 2008 году, японцы разработали свой собственный манипулятор, предназначенный для локальных нужд.

2008 год. Робот Dextre (SPDM) установлен на законцовке манипулятора Canadarm2 — это позволяет последнему выполнять более тонкие задачи, а первому — значительно расширить радиус действия.

Красный круг

Всё достаточно просто: с увеличением количества модулей MBS просто перестает «дотягиваться» до различных концов МКС. Плюс к тому — в некоторых ситуациях на использование манипуляторной системы выстраивается целая очередь. Таким образом, новым модулям для вполне скромных лабораторных потребностей нужны независимые «руки».

Первой ласточкой в этой области стал манипулятор JEMRMS, где JEM — это Japanese Experiment Module (японский экспериментальный модуль), а RMS — Remote Manipulator System (управляемая манипуляторная система). JEMRMS установлен над шлюзом модуля Kibo и позволяет загружать оборудование внутрь или извлекать его наружу.

JEMRMS состоит из двух элементов — основной «руки» (Main Arm, MA) и вспомогательной, предназначенной для тонких работ (Small Fine Arm, SFA). Малая «рука» устанавливается на большую — точно так же, как Dextre может быть продолжением Canadarm2. По сути, японский манипулятор — это уменьшенная и упрощенная вариация на тему MSS, управляемой из одного локального модуля и выполняющей задачи в рамках его ограниченных нужд.

Двенадцать звезд

2013 год. Ввиду того что манипулятор ERA пока существует только в лабораторных условиях, художникам предоставлена полная свобода действий. На скетче изображена ERA, поддерживающая космонавта (а не астронавта! — модуль-то российский) во время работы в открытом космосе.

На этот раз модуль будет российским — это многофункциональный лабораторный комплекс «Наука», а манипулятор — европейским. «Руку» ERA (European Robotic Arm) создали в научно-исследовательском центре Европейского космического агентства в голландском городе Нордвейк. Работали над роботом десятки инженеров из разных стран мира.

Манипулятор имеет три сегмента. По центру находится локтевой шарнир, работающий в одной плоскости, а на концах — сочетание «суставов», способных менять положение «руки» в разных плоскостях. Суммарная длина манипулятора в развернутом виде — 11 м, при этом точность позиционирования объекта — 5 мм.

Серп и молот

Надо сказать, что манипуляторы на Международной космической станции имеют историю, которая тянется в прошлое, когда никакой МКС еще не было. В частности, Canadarm2 разработана на базе технологий, опробованных на другом манипуляторе — Canadarm. Он был создан еще в конце 1970-х годов и впервые отправился в космос в 1981-м на шаттле «Колумбия» (миссия STS-2).

Он представлял собой 15-метровую космическую «руку» с шестью степенями свободы. Именно с помощью Canadarm — еще до появления более совершенных систем — монтировалась вся основа МКС, собирался телескоп Hubble и т. д. В течение многих лет Canadarm был не просто основным, но единственным космическим манипулятором с несколькими сегментами, то есть построенным по принципу человеческой руки. Последней миссией, где он использовался, стала STS-135 в июле 2011 года; сегодня на него можно посмотреть только в музее. Например, экземпляр с шаттла Endeavour хранится в Канадском авиакосмическом музее в Оттаве.

Но возникает вопрос. Сегодня Россия активно сотрудничает с другими государствами в области освоения космоса. А какие манипуляторы применялись, например, на станции «Мир»? В 1990-х это были как раз «Канадармы», поскольку в 1994 году был дан старт совместной российско-американской программе «Мир» — «Шаттл». А до того важнейшими операционными устройствами «Мира» были краны «Стрела» (ГСт).

Сегодня два крана «Стрела» используются на российском сегменте МКС. По конструкции они коренным образом отличаются от сегментных манипуляторов — это 15-метровая телескопическая конструкция. Она может сокращаться и поворачиваться, но имеет значительно меньше степеней свободы, чем Canadarm или ERA. Помимо того, каждый из модулей «Мира» был оборудован роботизированной рукой с захватом — нечто вроде небольшого бессегментного крана-манипулятора. Они использовались в первую очередь для монтажа новых модулей станции.

1988 год. Манипулятор «Аист» на стенде, имитирующем невесомость. Симулируется установка манипулятора к правому борту «Бурана», в точках сочленений устройство подвешено на специальных узлах.

Впрочем, для «Бурана» в Центральном научно-исследовательском и опытно-конструкторском институте робототехники и технической кибернетики некогда был разработан советский аналог «Канадарма» — манипулятор «Аист». По конструкции он практически не отличался от Canadarm — те же шесть степеней свободы, два легких углепластиковых звена («плечо» и «локоть»). Но «Аисту», вполне совершенному технически, не повезло.

Ручная работа

Систематизируя информацию, можно сделать вывод о том, что с увеличением количества стран — участниц МКС разнообразие манипуляторов тоже будет расти. Сперва обходились одним «Канадармом» (а на «Мире» — «Стрелой»), затем для МКС потребовалась расширенная система — появились Canadarm2 и Dextre. Теперь же каждый новый модуль требует собственной грузовой системы — так были разработаны JEMRMS и ERA. Со временем российскому сегменту тоже придется заняться собственными разработками, тем более что существуют технологии, созданные и испытанные еще для «Аиста».

А если Китай реализует свою грандиозную программу «Тяньгун» («Небесный чертог»), то в ближайшие годы ряды космических манипуляторов пополнятся значительным количеством китайских моделей. Впрочем, бренд «Сделано в Китае» в наше время звучит уже достаточно гордо, особенно если дело касается космических технологий.

Интервью

21.09.2016 09:41

РОССИЙСКАЯ ГАЗЕТА. АЛЕКСАНДР ГРЕБЕНЩИКОВ. АВАТАР, Я ТЕБЯ ЗНАЮ!

Госкорпорация «РОСКОСМОС» выделит почти 2,5 миллиарда рублей на создание роботов для работы в открытом космосе. Какие «механические космонавты» нужны за бортом космической станции? Через какие испытания проходят «киберы» прежде чем получить допуск на орбиту? Какой российский робот-геолог спроектирован для Марса? Об этом «РГ» рассказывает начальник лаборатории космической робототехники Центрального научно-исследовательского института машиностроения (ЦНИИмаш) Александр ГРЕБЕНЩИКОВ.

- Александр Владимирович, так какие роботы требуются для работы в открытом космосе?

Это на первых порах роботы для операционной поддержки внекорабельной деятельности космонавтов. То есть помощники. А затем роботы, которые будут «самостоятельно» выполнять обслуживание оборудования и узлов на внешних поверхностях станции. Например, визуальную инспекцию, технологические и ремонтные операции, обслуживание научных приборов и т.д.

- Основные требования, которые предъявляются к киберкосмонавтам?

Главное - обеспечить безопасность находящихся рядом людей и самого объекта - станции или корабля. То есть действия роботов не должны привести к аварийным или нештатным ситуациям. Второе - это эффективный функционал робота. И третье - его высокая надежность и стойкость к вредным факторам космоса.

Роботы-аватары будут наиболее универсальными машинами для сложных операций на Луне и других планетах. А какие преимущества они открывают?

Два неоспоримых: снижение рисков для жизни и здоровья экипажа при работе в открытом космосе, а также сокращение затрат. Могу сказать, что каждый час работы космонавтов за бортом обходится, по разным оценкам, от 2 до 4 млн долларов. Цифры говорят сами за себя. Кроме того, использование в будущем роботов для выполнения рутинных операций на обитаемых станциях позволит высвободить дополнительное время экипажа для отдыха или решения других актуальных задач.

Насколько я знаю, в России уже разработана первая робосистема, которая будет помогать космонавтам в открытом космосе? Или, точнее, прототип?

Да, проектные разработки ведутся уже три года. По исходным данным ЦНИИмаша предприятие «Андроидная техника» изготовило наземный прототип космического робота-андроида SAR-401. В конце 2014 года в ЦПК им. Ю.А. Гагарина были проведены его функциональные испытания. Робот в дистанционном режиме под управлением оператора успешно выполнял типовые операции: переключал тумблеры, захватывал инструменты, работал с механическими замками, электрическими разъемами, инспектировал поверхность с помощью телекамер, подсвечивал рабочую зону космонавтов, опускал и поднимал забрало шлема скафандра, протирал стекла иллюминатора.

Позже были разработаны эскизные проекты робототехнической транспортно-манипуляционной системы для поддержки внекорабельной деятельности, а также антропоморфного робота «Андронавт». Разработаны макетные образцы, проведены их лабораторные испытания.

Как выглядит российский космический робонавт? Через какие испытания он должен пройти прежде чем отправиться на орбиту?

Что касается робота SAR-401, то он напоминает человека. Но пока без ног: перемещать его вдоль космической станции целесообразнее с помощью транспортного манипулятора. Его «руки» и «пальцы» имеют такие же размеры и степени подвижности, как у человека, а управление осуществляется с помощью экзоскелета, надеваемого на оператора. Робот в точности повторяет все движения оператора, который дистанционно контролирует работу с помощью шлема виртуальной реальности в стереоизображении. Оно транслируется телекамерами, размещенными внутри «головы» робота.

Прежде чем отправиться на орбиту робот должен пройти целый ряд серьезных испытаний: термовакуумные, на вибропрочность и радиационную стойкость, электромагнитную совместимость и многие другие.

- Единство формы и содержания тут важны? В каком направлении движется конструкторская мысль?

Что касается андроидного робота, то несомненно. Конструктивно он должен быть полностью кинематически подобен человеку. Только тогда он сможет выполнять «тонкие» операции, свойственные моторике рук и пальцев человека. Кроме того, человекоподобный вид робота больше подходит и для выполнения функции психологической поддержки космонавтов.

Космические роботы-пауки, роботы-змеи, роботы-обезьяны и т.д. - это полет фантазии конструкторов? Или такие формы обусловлены необходимостью?

В ряде случаев такие формы обусловлены необходимостью. Например, для лазанья по крутым и сыпучим склонам кратеров больше подходят паукообразные роботы. Они более устойчивы и могут выйти с помощью ног-манипуляторов даже из перевернутого положения. А вот для движения внутри узких лабиринтов или труб - змееобразные.

- Какие материалы разрабатываются для защиты роботов от радиации, микрочастиц и микрометеоритов?

Электронную «начинку» робота от микрочастиц защищает его корпус. Он изготавливается из традиционных космических материалов: алюминиевых сплавов, титана, композитов. В составе мехатронных и электронных систем робота будут использоваться радиационно-стойкие компоненты и электрорадиоизделия, а также применяться методы резервирования критичных узлов и систем.

Многие ученые утверждают: в космосе должны работать только автоматы, совершенно незачем рисковать человеком. Но вот один из космонавтов как-то рассказал: «При выходе в открытый космос требовалось что-то заменить. ЦУП говорит: «Возьми ключ на 14». Я взял, а когда подошел к системе, понял: ключ другой должен быть. Робот выполнил бы мое задание с ключом на 14? Нет. А я выполнил». Получается, роботы могут не все?

Действительно, пока не могут быть созданы роботы с развитым искусственным интеллектом, полностью заменяющие человека во всех ситуациях в космосе. Да и не только там. Тем не менее во многих случаях роботам в космосе нет альтернативы. Это касается выполнения таких опасных и трудоемких работ, как, например, обслуживание в ближайшем будущем космических ядерных энергоустановок, выполнение строительно-монтажных работ по созданию лунных и напланетных баз, исследования астероидов и удаленных планет. Но при этом роботы будут управляться или контролироваться человеком. Поэтому сейчас ведутся активные работы в направлении совершенствования интерфейсов «робот-человек», а также адаптивного автономного поведения роботов, группового взаимодействия роботов между собой.

- Какое космическое будущее ждет роботов-аватаров? Трудно ими управлять?

Роботы-аватары, т.е. человекоподобные роботы (андроиды), управляемые человеком и копирующие его движения, будут в перспективе наиболее универсальными машинами для выполнения сложных операций на космических объектах в околоземном космосе, на Луне и других планетах. Методы управления андроидами сейчас активно развиваются. И управление андроидами, конечно же, требует определенной подготовки.

Почему ученые говорят, что аватары смогут работать только вблизи Земли. Например, на Луне или космических станциях? Из-за задержки в сигнале?

Это общая проблема удаленного телеоператорного управления. При задержке сигналов обратной связи более двух секунд может произойти рассогласование в действиях человека-оператора и робота. А это срыв задания. Вблизи Земли (при условии прямой радиовидимости) задержки сигналов управления относительно невелики - менее 0,2 секунды.

Что касается Луны, том там суммарная задержка (туда и обратно) составляет уже более 2,5 секунды. Это вызывало, например, трудности в управлении советским луноходом. Поэтому аватарами на Луне лучше управлять с окололунной орбитальной станции или из гермоотсеков лунной базы. А также использовать методы супервизорного управления с элементами искусственного интеллекта, включая распознавание образов, автономную навигацию и принятие решений.

- Что сейчас с российскими роботами SAR-401 и «Андронавт»? Когда они могут отправиться на работу в космос?

На базе SAR-401 в рамках космического эксперимента «Теледроид» будет изготовлен летный образец, который в 2020 году доставят на МКС. На новом научно-энергетическом модуле российского сегмента он под управлением космонавта будет выполнять операции внекорабельной деятельности. Что касается «Андронавта», то эта система, скорее всего, будет развиваться в качестве средства психологической и информационной поддержки космонавта внутри орбитальной станции. Наподобие японского гуманоидного робота Kirobo.

- А какие роботы сейчас находятся на МКС?

На внешней поверхности МКС - космический манипулятор Canadarm2 с «насадкой» Dextre, японский манипулятор JEMRMS для обслуживания негерметичной платформы EF модуля «Кибо», два российских механических грузовых манипулятора «Стрела». Внутри МКС находятся американский робот-андроид Robonaut R2 и японский «робот-кукла» Kirobo.

Американцы пророчат большое будущее паукообразным роботам SpiderFab, которые займутся постройкой космических домов. Что это за система?

SpiderFab будет использоваться для постройки космических сооружений. Тут две основные технологии. Прежде всего устройство под названием Trusselator, которое сейчас успешно проходит испытания в лаборатории: это своеобразный синтез 3D-принтера и вязальной машины. На одной стороне цилиндрического корпуса расположена катушка с нитью (в качестве сырья устройство использует углеволокно), а на другом находится экструдер, через который выдавливаются три основные трубы будущей фермы. Ферма усиливается путем обмотки нитью. В итоге устройство длиной около метра может создать ферму длиной в десятки метров.

Далее устройство под названием робот-Trusselator с помощью манипулятора и специального сварочного аппарата сможет соединять исходные фермы в большие сложные конструкции и покрывать их солнечными панелями, светоотражающей пленкой и выполнять другие операции в зависимости от целей миссии.

Вообще технология SpiderFab позволит перейти к изготовлению комических конструкций длиной в километры! В настоящее время конструкции, которые отправляются в космос, имеют огромный избыточный запас прочности для того, чтобы выдержать перегрузки при старте. Обычно в космосе такие сверхпрочные конструкции не нужны, зато нужен очень большой размер, например для телескопов-интерферометров. Аппараты SpiderFab позволят строить именно такие конструкции: легкие, крупногабаритные и с низкой стоимостью жизненного цикла.

Надо сказать, что идея создания в космосе крупногабаритных ферм большой длины прорабатывалась советскими учеными еще в конце 80-х годов прошлого века. Для этого в ЦНИИмаш предполагалось использовать фермосборочный агрегат на базе космического аппарата с двумя программными манипуляторами, который собирал бы в программном режиме ферму из типовых углепластиковых стержней, стыкуя их к узловым элементам. Стержни и элементы доставались из кассетного хранилища на борту аппарата. Каждый стержень снабжен с обоих концов специально разработанными магнитомеханическими самозатягивающимися безлюфтовыми замками. Теми же манипуляторами после сборки каждой секции вся ферма по роликовым направляющим задвигалась назад, внутрь полого фермосборочного агрегата, освобождая пространство для наращивания следующей секции фермы.

Были изготовлены магнитомеханические замки, стержневые элементы, узлы, и отработаны на масштабных макетах процессы роботизированной сборки секций фермы с помощью советских промышленных роботов РМ-01. Как видим, технология SpiderFab - это фактически возрождение известной идеи на новом технологическом уровне с использованием 3D-печати.

- А что за космическую роботизированную перчатку разработали американцы? У нас что-то подобное есть?

Перчатка RoboGlove предназначалась для увеличения силы захвата человека в космосе. При ее создании использовались технологии, применяемые в разработке человекоподобного робота Robonaut. НАСА заявляло, что при использовании такой перчатки можно снизить нагрузку на мышцы человека более чем в два раза. В России подобные перчатки в отдельности не разрабатывались, а в проводимых исследованиях внимание уделялось силовому экзоскелету.

Недавно видела видео: будущий уборщик космического мусора, разрабатываемый ЕКА, учится ловить дроны. Интересно. А что предлагают для решения этой проблемы российские робототехники?

В России сейчас проводятся научно-исследовательские работы, посвященные проблемам обслуживания космических объектов, включая проблему утилизации космического мусора. Ведутся проектно-поисковые исследования, в том числе по разработке космических аппаратов с манипуляторами для захвата отработавших спутников, их фрагментов, и последующего увода их на специальную так называемую орбиту захоронения или в атмосферу Земли, где они будут сгорать при падении.

- Робот по ремонту спутников - это фантастика или реальность?

Сегодня это уже не фантастика, но пока еще и не реальность. И за рубежом, и у нас идут научно-исследовательские работы, направленные на решение этой актуальной проблемы. Ремонт в космосе дорогостоящих спутников позволит увеличить срок их активного существования, сократив тем самым затраты на поддержание необходимого состава спутниковых группировок. Но для этого надо менять идеологию создания самих спутников и космических аппаратов, делать

их ремонтопригодными хотя бы на уровне замены типовых унифицированных элементов и блоков. И эта задача должна решаться конструкторами новых перспективных спутников и космических аппаратов.

Есть ли в планах российских конструкторов разработка новых роверов для Марса? Скажем, американцы тут делают ставку на «Валькирии», которые, как утверждается, по своим возможностям гораздо более продвинуты, чем «Кьюриосити». А что у нас?

В России разработан проектный облик универсальной самоходной платформы «Робот-геолог». Она будет оснащена манипулятором, каротажно-буровой установкой и всем комплексом научных приборов, которые необходимы для проведения геологических и геофизических исследований на поверхности Луны и Марса. Включая сейморазведку с помощью серии взрывов, забор и доставку стратифицированных колонок грунта с глубины до 3 м на маршруте длиной до 400 км и др. Разработка позволяет вплотную перейти к опытно-конструкторским работам по созданию такого ровера, по своему функционалу не уступающего «Кьюриосити».

Визитная карточка

ГРЕБЕНЩИКОВ Александр Владимирович, родился в 1958 году. Образование высшее, в 1981 году окончил радиотехнический факультет Московского энергетического института. Космической робототехникой профессионально занимается с 1986 года, работая в головном научном институте РОСКОСМОСА ФГУП ЦНИИмаш. Начальник лаборатории космической робототехники ФГУП ЦНИИмаш, эксперт Экспертного совета Национального центра развития технологий и базовых элементов робототехники Фонда Перспективных Исследований Российской Федерации.

Текст: Наталия Ячменникова

Российская газета - Федеральный выпуск №7080 (212)

Московский Авиационный Институт

(Национальный исследовательский университет)

Технология изготовления деталей

Реферат на тему:

Космические манипуляторы

Выполнил ст. гр. 06-314

Зверев М.А.

Проверил:

Береговой В.Г.

Москва 2013

Манипуляторы модулей ДОК «Мир»

На долговременном орбитальном комплексе (станции) (ДОК) «Мир» в составе модулей использовались манипуляторы, как на сменных модулях, так и на базовом блоке. Эти манипуляторы отличались по своим задачам и исполнению.

На модулях «Квант-2», «Спектр», «Кристалл» и «Природа» на их внешних поверхностях вблизи основного стыковочного узла был смонтирован манипулятор. Основная задача этого М заключалась в том, чтобы после стыковки с базовым блоком (к продольному стыковочному узлу ПхО) произвести перестыковку модуля на другой стыковочный узел, ось которого лежала в плоскостях стабилизации I-III. II-IV. Этот же манипулятор использовался для перестыковки модулей в процессе эксплуатации комплекса. Для этих операций на внешней сферической поверхности ПхО между плоскостями стабилизации под сферическим углом 45 0 были установлены 2 специальных стыковочных узла, к которым и пристыковывался манипулятор модуля. После стыковки с этим узлом модуль отстыковывался от продольного стыковочного узла и перемещался к ближайшему свободному «перпендикулярному» стыковочному узлу, условно к I- II или III-IV. Этот манипулятор следует отнести к классу транспортных (транспортирующих), работающих по программе «точка-точка».

Манипуляторы базового блока («Стрела»)

К классу транспортирующих манипуляторов можно отнести и «грузовую систему» «Стрела», установленную на базовом блоке комплекса. Данная система предназначалась для транспортировки грузов из модулей на поверхность базового блока. После того, как была сформирована конструкция ДОК в виде «звезды», все выходные люки ПхО оказались заняты и необходимое оборудование можно было, доставлять только из вторых торцевых люков модулей. Для облегчения работы экипажа на поверхности ДОК и были установлены две «Стрелы», на II и IV плоскостях стабилизации на местах крепления головного обтекателя. На Рис.1. перечислены работы, при выполнении которых потребовалась помощь данного манипулятора.

Схема и фотография «Стрелы» представлены на Рис.1.

Отечественные механические манипуляторы «Стрела », выполненные в виде телескопической штанги разворачиваемой вокруг двух осей, используют на МКС для перемещения космонавтов по внешней поверхности станции. Краны установлены на модуле "Пирс" <#"654688.files/image004.gif"> <#"654688.files/image005.gif">

Декстр выглядит как безголовое туловище, оснащенное двумя крайне подвижными руками длиной в 3,35 м. Трёх с половиной метровый корпус имеет ось вращения в «талии». Корпус с одного конца оборудован захватывающим приспособлением, за который его может ухватить Канадарм 2 и перенести SPDM к любому орбитальному заменяемому элементу (англ. ORU) на станции. С другого конца корпуса имеется исполнительный орган робота, фактически идентичный органу Канадрам», так что SPDM может быть закреплён на захватывающих приспособлениях МКС или может использоваться для того чтобы расширять функциональность Кандарм2.

Обе руки SPDM имеют семь суставов, что даёт им такую же гибкость, как у Канадарм 2, в сочетании с большей точностью. В конце каждой руки находится система, названная Orbital Replacement Unit/Tool Changeout Mechanism (OTCM) (по русским: Орбитальный заменяемый элемент/Механизм замены инструментов. В неё входят встроенные цепкие захваты, выдвижная головка, монохромная телевизионная камера, подсветка, и разделяемый соединитель, который обеспечивает питание, обмен данными и видеонаблюдение за полезным грузом.

Внизу корпуса Декстра находится пара ориентируемых телекамер цветного изображения с подсветкой, платформа для хранения ORU и кобура для инструментов. Кобура оборудована тремя различными инструментами, используемыми для решения различных задач на МКС.

Манипулятор Канадарм

был роботом-манипулятором, изначально предназначенным для использования на борту космического корабля. Canadarm был введён в эксплуатацию в 1975 году и впервые запущен в 1981 году, он был важным техническим развитием в истории пилотируемых космических полетов. Canadarm продемонстрировал потенциальные возможности применения робототехнических устройств в пространстве, а также прочно вошёл в инжиниринг в космических исследованиях. Несколько итераций устройства были изготовлены для использования на борту различных миссий.состоит из длинных петель - рук, контролируемых robotically из кабины. Canadarm официально известен, как поворотная дистанционная система манипулятора (SRM),и она предназначена для астронавтов для перемещения полезной нагрузки в или из космического корабля. Она также может быть использована и для других задач, начиная от ремонта телескопа ” Хаббл ” для сборки Международной Космической Станции (МКС). Второе поколение устройств, ” Canadarm-2″, было установлено на МКС.

Опытно-конструкторские работы по различным аспектам космических полетов, могут заключить договор с агентствами, такими как Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического Пространства (НАСА). В то время как агентства, часто предпочитают работать с отечественными компаниями, международное сотрудничество - это не редкость, как показало использование Canadarm. НАСА заказала устройство, которое можно использовать для управления Трансферт для полезных нагрузок и потенциально использовать для других видов деятельности в космосе, когда требуется, захватить и манипулировать объектами. На протяжении всего их развертывания, различные модели Canadarm никогда не подводили, хотя он были уничтожены в 2003 г, в. результате стихийных бедствий.

Впервые Canadarm использовался на борту шатла Колумбия в ходе миссии STS-2 в 1981 году. За время эксплуатации манипулятор Канадарм участвовал в 50 миссиях и совершил 7000 оборотов вокруг Земли, отработав без единого отказа. Манипулятор использовался для захвата телескопа Хаббл, перемещения и выгрузки более 200 т компонентов МКС и перемещения астронавтов.

Манипулятор располагался в грузовом отсеке шатла, управление осуществлялось дистанционно из кабины. Имеет 6 степеней свободы. Механизм захвата по принципу работы напоминает диафрагму фотоаппарата.

Характеристики:

Длина - 15,2 м (50 футов);

Диаметр - 38 см (15 дюймов);

Собственный вес - 410 кг (900 фунтов);

Вес в составе общей системы - 450 кг

Дистанционно-Управляемый Манипулятор (ДУМ) (RMS) «CANADARM» устанавливался на МТКК «Space Shuttle». Возможно установление двух рук ДУМ. Одновременно может работать только одна рука. Основное назначение ДУМ (RMS) - транспортные операции:

доставка объектов из ОПГ, размещение объектов в ОПГ, перемещение космонавтов, закреплённых в «Выносном Рабочем Месте» (ВРМ) к объекту в ОПГ;

обеспечение проведения технологических операций:

поддержание, закрепление, размещение инструмента и человека.

RMS Canadarm разработан и изготовлен фирмой “Spar Aerospace”. Разработка и изготовление первого образца - 70 млн. дол. Последующие 3 «руки» были изготовлены за 60 млн. дол. Всего изготовлено 5 (руки 201, 202, 301, 302 и 303) и переданы NASA. Рука 302 потеряна при катастрофе Challenger. Срок службы - 10 лет, 100 полётов.

Схема манипулятора RMS Canadarm представлена на Рис.2.

Конструкция

Белое покрытие конструкции, работающее как термостатирующее оборудование для поддержания необходимой температуры оборудования в условиях вакуума, предотвращает повышение температуры руки под солнечными лучами и проектирует от космического холода, когда рука находится в тени.

	15.2 m (50 ft.)

Weight on Earth	410 kg (905 lbs.)
Speed of movement	Unloaded: 60 cm a second - loaded: 6 cm a second
Upper and lower arm booms	Carbon composite material
	Three degrees of movement (pitch/yaw/roll)
	One degree of movement (pitch)
	Two degrees of movement (pitch/yaw)
Translational hand controller	Right, up, down forward, and backward movement of the arm
Rotational hand controller	Controls the pitch, roll, and yaw of the arm

Эксплуатация

Впервые Canadarm использовался на борту шаттла Колумбия в ходе миссии STS-2 <#"654688.files/image008.gif">

После аварии Space Shuttle "Columbia" (полёт STS-107 <#"654688.files/image009.gif">

Европейский манипулятор ERA.

Манипулятор “ KIBO ”

Схема японского модуля МКС JEM представлена на Рис.4. Физические параметры модуля представлены в Таблице 3.

Японский экспериментальный блок "Кибо", что значит надежда, является первой орбитальной лабораторий Японии. "Кибо" состоит из четырех модулей:

Научная лаборатория (РМ):

Это центральная часть блока, которая позволит проводить все виды экспериментов в условиях невесомости. Внутри модуля установлено 10 экспериментальных блоков. Сам модуль имеет размеры автобуса.

Экспериментальный багажный модуль (ELM-PS):

Он играет роль хранилища оборудования, в котором находятся перемещаемые контейнеры. Их можно перевозить на "космическом челноке".

Внешний грузовой блок (EF):

Он постоянно находится в открытом космосе. Использоваться он будет для утилизации отходов. В нем находятся заменяемые мусорные контейнеры, которые при наполнении выбрасываются.

Рука-манипулятор (JEM RMS):

Она будет обслуживать внешний грузовой блок. Основная часть руки переносит тяжелые объекты, а для деликатной работы используется малая съемная рука. Рука-манипулятор оснащена видеокамерой, которая позволяет точно управлять движениями руки.

Так же ко всем модулям будут прикреплены багажные блоки малых размеров.