升级版加拿大机械臂

□ 贺棚梓

加拿大航天工业有一项独门秘技，就是研制太空机械臂。从航天飞机到国际空间站，加拿大研制的机械臂为人类的太空活动立下了汗马功劳。

制造这些机械臂的，是一家名叫“麦克唐纳•特拉华与联合会有限公司”的企业，不过很少有人用这么拗口的全名称呼它，而是直呼它大名鼎鼎的简称——MDA公司。眼下，MDA公司正在为加拿大航天局研制最新一代机械臂，称为“下一代加拿大机械臂”，简称NGC。

MDA公司为航天飞机所提供的是第一代机械臂，而工作在国际空间站上的是第二代机械臂“德克斯特”。我们经常可以看到“德克斯特”抓住货运飞船，把它安装到对接口上的照片。实际上，“德克斯特”在空间站建设期间也发挥了很大作用。

那么NGC又是为谁服务的呢？其实，NGC在很大程度上是2008年金融危机的产物。

NGC的立项

2007年11月，14个国家的航天局签署了全球探索战略框架协议。需要指出的是，中国虽然也是签约国之一，在实际成立全球空间探索协作组的时候，却被美国运用影响力排除在外。加拿大根据这个协作组的工作框架，制定了自己的战略探索计划，进而建立了“探索核心计划”。

在研究全球探索战略之后，加拿大具体提出了自己具有专长的8个领域，分别是先进漫游车和自主电动车辆、用于科考和当地资源利用的先进挖掘与钻探技术、用于在轨和着陆操作以及表面导航和科学的动态影像技术、机器人操纵与先进工具、行星表面设施与设备间的通信技术、长期太空飞行的生命支持技术、长期任务期间保持航天员健康与福利的医疗系统、部分行星科学、生命科学与天文学的科学设备、支持载人飞行的地面控制设备。

针对这些领域，加拿大航天局很快提出了探索核心计划的三大行动，首先是明确需求，其中包括数据分析和概念研究；然后是基础设施建造与部署，包括模拟试验场、实验室与总装设施、运行中心；最后是样机研制和地面模拟任务部署，其中包括科学设备的研制。当时的计划中还没有考虑NGC的研制。在此期间，加拿大航天局获得了一些与月球车乃至火星车相关的合同，研制内容包括导航设备、态势感知设备等，尤其是获得了欧空局的火星探测计划里火星车上的当地资源利用移动平台模拟任务合同。

加拿大航天员克里斯·哈德菲尔德参观新一代加拿大机械臂

可以用于卫星在轨修理的小加拿大机械臂

但是2008年金融危机的爆发，促使西方各国政府纷纷出台自己的经济刺激计划。2009年，加拿大政府的经济刺激计划向加拿大航天局增加提供1100万美元经费，在探索核心计划框架下启动两个新的项目，一个是探索表面机动能力。探索表面机动能力项目要求研制月球漫游车和火星漫游车各一台，并研制摄像机、机械手、钻探工具等设备，并实施模拟人物。这个项目我们日后再表。还有一个项目就是NGC

伸展长度15米的新一代加拿大机械臂

为测试新一代加拿大机械臂，加拿大航天局设计建造了所谓的半自主交会对接装置

用于测试新一代加拿大机械臂的虚拟操纵装置

用于模拟接近操作的设备，可以用来试验新一代加拿大机械臂

加拿大机械臂2号捕获美国的“龙”飞船

NGC的组成

现在来看看NGC的主要内容。

NGC由4台原型机和1个任务控制站组成。主臂的长度为15米，用于装备未来的较小型航天器。副臂长2.5米，配备有一套复杂的工具，可以用来在轨维修卫星。

一个用来模拟交会动作的试验台，可以模拟两个航天器在空间的接近动作。

卫星对接设施，用来试验两个航天器最终对接到一起的操作。

一个用来遥控操作NGC各系统的任务控制站。

我们先来看15米长的主臂，它可以折叠起来，用“未来的较小型航天器”运输。加拿大航天局并没有在此指出这种“未来的较小型航天器”的名字，但在此前的报道中，NGC的首选搭载平台就是美国在研的“猎户座”飞船。主臂也是NGC组成部分中体积最大的。它伸展开以后，和加拿大臂二号一样长，但更轻一些，折叠起来的尺寸也更小。主臂采用伸缩式臂节，完全折叠后可以存放在一个不超过5立方米的空间里，差不多是一辆微型轿车的大小。它有6个自由度，可以用来执行复杂的任务，例如抓住大型航天器并与之对接，然后补充燃料。

2.5米小型机械臂的实际伸展长度是2.58米，与国际空间站使用的“德克斯特”机械臂近似。加拿大航天员克里斯•哈德菲尔德曾经在参观MDA公司时见到了这个小型机械臂。

实验平台则采用了小型、轻质、灵巧的机器人设计，采用先进的点子、软件和控制系统，可以给在轨卫星补充燃料，也可以在轨更换一些失效零件。例如，移除和安装一些零件，移除卫星的防护膜，切割电线，开关燃料阀，在服务航天器和被服务航天器之间转移燃料。当然，如果要移除和安装零件，这些零件必须设计成在轨可更换单元。

模拟交会的试验台由两台工业级机器人系统组成，可以模拟两个在轨飞行器小心翼翼靠近的过程。在航天器对接过程中，最后几米距离是非常惊险的。为了模拟这种过程，试验台可以真实地模拟实际尺寸航天器，包括真实的照明条件和摄像机视野。

两个航天器接近的过程中，服务航天器上的机械臂可以抓住被服务航天器，使两者对接，并开展维修工作。当然，操作员也可以控制服务航天器直接与被服务航天器对接而不借助机械臂。

NGC项目中也包括了一个称作半自主对接系统的试验设施。可以模拟两个航天器对接的各个步骤。当两个航天器接近的时候，此系统可以接管控制权，引导其中一个航天器实施一系列机器人操作，直至两个航天器最终对接。

上面所说的四个部分都要靠任务运行站来控制。

加拿大负责NGC的官员卡隆说，我们已经有一种新的机械臂了，我们现在需要一次任务

推测NGC的未来

应该说，NGC的立项，是西方载人航天活动数十年积累的产物。没有从航天飞机到国际空间站的投入和实践，是不可能催生NGC的。但随着载人航天活动陷入迷茫，国际空间站将在2020年到寿，后续的经费和任务仍在讨论中；而美国的下一个载人航天飞行目的地一直在反复摇摆。依附于载人航天而存在的加拿大机械臂技术将何去何从？

MDA公司为此提出的对策，是把NGC作为未来在轨服务的一部分。我们在前文中已经指出，NGC可以用来实施卫星维修、在轨燃料补给等任务。这是近年来国际航天界热烈讨论的话题，而MDA公司借助NGC，已经走在了前面。