Космический манипулятор: как это работает

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.

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.

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».

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.