Космические манипуляторы

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 45⁰ 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 III 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.

Рис. 1.

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

Рис. 1.

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" . Один из кранов может достигать модуля " Заря" . Другой расположен на противоположном борту и может «дотянуться» до самого конца " Звезды" .

Манипулятор Буран

Для проведения испытаний в институте создали уникальный стенд. 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 м действует в трех плоскостях и имеет 6 вращательных степеней свободы. Система бортовых манипуляторов орбитального (СБМ) 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 шести вращательных 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 целее указания 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.

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 манипулятор «Бурана» 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:

· Движение пустого захвата сопровождается колебаниями с амплитудой 7−10 см и частотой 0.5−1 Гц.

· При работе с грузом около 1 т амплитуда колебаний захвата за счет суммарной упругости (основная упругость сосредоточена в шарнирах и в захвате 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.

Манипулятор «Бурана» на испытаниях на стенде, имитирующем невесомость.

манипулятор модуль орбитальный космический

На фотографии видно, что манипулятор установлен по правому борту корабля и фиксируется в транспортном положении тремя узлами, поддерживающими манипулятор в подвижных сочленениях звеньев.

Манипулятор Декстор

Американский шатал Endeavour стартовал, 11 марта к Международной космической станции с космодрома на мысе Канавералл. Главное задание полета Endeavour — доставка на МКС жилищного модуля и робота, который может выполнять задание в открытом космосе. В состав экипажа космического корабля входят семеро астронавтов. Вскоре после старта космонавты получили тревожные сигналы от рулевых двигателей корабля, затем по неясной пока причине пришлось перейти на резервную систему охлаждения. По оценке руководителей НАСА, эти проблемы не должны сказаться на программе полета. Шатл Endeavour доставит на Международную космическую станцию первый из трех компонентов японского жилого модуля «Кибо» и канадский высокоточный робот-манипулятор Декстр (Dextre), стоимостью более $ 200 млн., который имеет две роботизированные руки для работы на внешней поверхности МКС.

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

Canadarm 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.

Canadarm 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.

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.

Эксплуатация

Впервые Canadarm использовался на борту шаттла 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^[2]. Манипулятор использовался для захвата телескопа Хаббл, перемещения и выгрузки более 200 т компонентов МКС и перемещения астронавтов.

После аварии Space Shuttle «Columbia» (полёт STS-107) в начале 2003 года, Советом по Расследованию Происшествия (Columbia Accident Investigation Board, CAIB) был сформирован мандат усовершенствования «Программы Шаттл». Одним из требований для НАСА была разработка дополнения («пару») для Canadarm в виде Orbiter Boom Sensor System (OBSS), которая должна содержать инструменты для инспекции внешней поверхности ТЗП днища шаттла перед возвратом. Основываясь на технологии и опыте, приобретенных MDA (бывшая «Spar Aerospace») в создании нескольких поколений космических манипуляторов, MDA разработало расширение для Космических челноков: роботизированную штангу, способную выполнять на орбите инспекции системы тепловой защиты шаттла. Инспекционной Присоединяемой Штанге (IBA) отводилась главная роль в осмотре системы тепловой защиты шаттла.

Общая информация

Инспекционная Штанга базировалась на уже существующих решениях, разработанных по программе Canadarm, и имеет, по существу, тот же дизайн, за исключением того, что суставы руки были заменены на алюминиевые переходники, эффективно закрепляющие переходники в ложементах. Наконечник стрелы был предназначен для размещения и интерфейса с набором датчиков для оценки системы тепловой защиты шаттла.

Весящая 211 килограммов (без датчиков), и около 15 метров в длину, IBA была приблизительно таких же размеров, что и Canadarm шаттла. Таким образом, IBA разместился на борту корабля, где первоначально должен был устанавливаться «Холдинг механизм» второй руки. На орбите, Canadarm шаттла и Canadarm2 «МКС «будут забирать IBA с помощью грейфера

Манипулятор для осмотра ТЗП шаттла.

После аварии Space Shuttle «Columbia» (полёт STS-107) в начале 2003 года, Советом по Расследованию Происшествия (Columbia Accident Investigation Board, CAIB) был сформирован мандат усовершенствования «Программы Шаттл». Одним из требований для НАСА была разработка дополнения («пару») для Canadarm в виде Orbiter Boom Sensor System (OBSS), которая должна содержать инструменты для инспекции внешней поверхности ТЗП днища шаттла перед возвратом. Основываясь на технологии и опыте, приобретенных MDA (бывшая «Spar Aerospace») в создании нескольких поколений космических манипуляторов, MDA разработало расширение для Космических челноков: роботизированную штангу, способную выполнять на орбите инспекции системы тепловой защиты шаттла. Инспекционной Присоединяемой Штанге (IBA) отводилась главная роль в осмотре системы тепловой защиты шаттла.

Общая информация

Инспекционная Штанга базировалась на уже существующих решениях, разработанных по программе Canadarm, и имеет, по существу, тот же дизайн, за исключением того, что суставы руки были заменены на алюминиевые переходники, эффективно закрепляющие переходники в ложементах. Наконечник стрелы был предназначен для размещения и интерфейса с набором датчиков для оценки системы тепловой защиты шаттла.

Весящая 211 килограммов (без датчиков), и около 15 метров в длину, IBA была приблизительно таких же размеров, что и Canadarm шаттла. Таким образом, IBA разместился на борту корабля, где первоначально должен был устанавливаться «Холдинг механизм» второй руки. На орбите, Canadarm шаттла и Canadarm2 «МКС «будут забирать IBA с помощью грейфера

Манипулятор «ERA».

В 2014 году на российском сегменте МКС планируется установить европейский манипулятор ERA (European Robotic Arm) более короткий и слабый, но более аккуратный манипулятор (точность позиционирования — 3 миллиметра), способный работать в полуавтоматическом режиме без постоянного управления космонавтами (Рис.3), который предполагается использовать для перестыковки модулей станции и обслуживания шлюзовой камеры. Манипулятор представляет из себя симметричный 4-х звенник, состоящий из двух «Больших» и двух «малых» звеньев. На обоих малым звеньях установлены захваты, аналогичные захватам Canadarm2, что позволяет пристыковывать ERA любым из малых звеньев.

Европейский манипулятор ERA.

Рис. 3.

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.

Рис. 4.

Физические параметры:

Таблица 3.

1 http://www.myrobot.ru

2 http://www.dailytechinfo.org

3 http://ru.wikipedia.org

4 http://ixof.ru