預計再有一個多月天宮空間站天和一號核心艙就將搭乘長征五號乙遙二運載火箭升空，載人航天工程由此正式進入空間站時代。

天和一號核心艙、問天號實驗艙Ⅰ、夢天號實驗艙Ⅱ將構成天宮空間站基本構型，加上載人飛船、貨運飛船，以及後續巡天光學望遠鏡，

空間站一期工程最大規模可達百噸級

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長征五號B遙二運載火箭

天宮空間站今年執行的發射任務屬於關鍵技術驗證階段，分別安排了天和一號核心艙、天舟二號貨運飛船、神舟十二號載人飛船、天舟三號貨運飛船、神舟十三號載人飛船，總計5次發射任務。

完成關鍵技術驗證階段任務後明年天宮空間站將直接轉入在軌建造階段，問天號實驗艙Ⅰ、夢天號實驗艙Ⅱ先後發射升空與天和一號核心艙對接，兩座實驗艙的目標對接位置是核心艙前端節點艙的二四象限，也就是說要對稱佈置在節點艙兩側停泊對介面。

天和核心艙前端節點艙

兩座實驗艙與核心艙一樣都是20噸級大型艙段，前者無法與後者的側向停泊對介面直接對接，這是為什麼呢？

直接對接就意味著實驗艙需要開啟姿軌控動力系統，進行有動力對接，由於側向對接不是軸向對接，組合體質心極難調控，輕則空間站姿態失穩，重則空間站結構嚴重損傷，這都是無法接受的後果。

解決大質量艙段在軌組裝的關鍵裝備是機械臂，問天號實驗艙Ⅰ先行與天和一號核心艙節點艙軸向對介面對接，此一環節空間站組合體質心易調控，爾後由轉位機械臂將問天實驗艙Ⅰ分離轉移至節點艙側向停泊口對接。

用大型機械臂捕獲實驗艙對接的早期設計

在天宮空間站早期設計階段曾計劃使用核心艙大型機械臂進行轉位組裝，那麼為什麼最終沒有選擇這一方案呢？

首先要知道天宮空間站應用的是異體同構周邊式對接裝置，此類裝置有較好的對接精度容錯機制，因此會產生較大的撞擊能量，就好比飲料瓶的蓋子如果旋擰方向不正就很難擰緊，但可以透過更大的力道使之歸正，進而擰緊，異體同構周邊對接裝置也是同樣的邏輯，如果對接有誤差就需要更大的推力使之歸正。

異體同構周邊對接試驗

機械臂對接精度越高，對推力要求越低，反之亦然。天宮空間站兩個實驗艙發射質量均超過20噸，規模超過了當前國際空間站任一艙段，大型機械臂由於臂杆長且自由度較多，對接精度顯然不如結構更加簡單的“轉位機械臂”，這就對機械臂推力提出了更高要求。

即便是當前世界最大承載力的國際空間站遙控操作器系統在控制百噸級太空梭軌道器進行對接時，其最終的對接推力也並非來自機械臂，而是太空梭軌道器自身的姿控動力。

實驗艙轉位機械臂

天宮空間站實驗艙對接任務最終選擇轉位機械臂的核心原因就是控制精度更高

，可以大幅度降低異體同構周邊對接裝置的推力負荷，且轉位機械臂結構簡單工況可靠性也更高，對於要求萬無一失的在軌組裝任務而言是再合適不過了。

轉位機構佈局

轉位機械臂由轉臂與基座兩部分組成，轉臂安裝在實驗艙對接面，由肩關節、轉臂、腕關節組成，基座則安裝在核心艙節點艙兩側，二者透過錐形捕獲機構連線。透過腕關節可實現實驗艙與核心艙之間的相對轉動，肩關節則可實現實驗艙與轉臂之間的相對轉動。

轉位機械臂錐形捕獲機構（旋轉基座）

問天號實驗艙Ⅰ與夢天號實驗艙Ⅱ完成轉位對接任務後轉位機械臂也就完成了自己的歷史使命，此時天宮空間站也可以宣告在軌建造任務完成。

接下來天宮空間站就將轉入常態化在軌運營階段，此後另外兩個機械臂將發揮作用。

在空間站全壽命週期發揮作用的是“遠端機械臂系統”

，系統架構分為天上系統與地面系統兩大部分。

三艙組裝完畢後天宮空間站進入常態運營階段

地面系統主要承擔遙操作職能，可以減輕航天員天上工作強度負荷，由地面控制機械臂工作。

天上系統分為艙內部分與艙外部分，艙內部分有在軌操作平臺，由航天員控制機械臂工作。艙外部分則包括鎖緊釋放機構、機械臂本體、目標介面卡三部分。

遠端機械臂系統執行機構由核心艙機械臂與問天號實驗艙Ⅰ機械臂組成

，核心艙機械臂長約10米，質量738公斤，承載能力25噸，負載自重比、操控精度等指標均達到世界領先水平，且全部核心部件實現國產化。由於要在空間站全壽命週期服役，因此對部件可靠性要求更高，例如電機系統就進行了上億轉驗證測試。

核心艙機械臂安裝在小柱段外表面

核心艙機械臂與實驗艙機械臂都屬於七自由度機械臂，自由度是指物體具有的獨立運動的數目，空間機械臂末端需要執行三維空間的位置與姿態控制，一般而言機械臂要有6個自由度，而要達到類似人類手臂的運動能力則至少有7個自由度。

七自由度空間機械臂也意味著有7個活動關節，核心艙機械臂肩部有3個關節，執行俯仰、偏航、迴轉操作，兩個臂杆之間的肘部有一個俯仰關節，機械臂末端腕部也配置3個關節，功能與肩部三關節一樣。

核心艙七自由度大型機械臂

核心艙機械臂由此形成肩部3關節、肘部1關節、腕部3關節配置，如此佈局的好處是可以頭尾互換，機械臂首尾兩端各有一個末端執行器，肩部末端執行器與腕部末端執行器都可以透過目標介面卡實現與艙體的對接與分離，進而在空間站艙體外表面進行爬行。

目標介面卡不僅可以實現物理對接，也可以進行電力連線，被稱為PDGF電力資料抓取夾具。目標介面卡即可以用於機械臂對接與分離實現爬行操作，也可以在載人飛船、貨運飛船等其他航天器上佈置此類介面，並由機械臂抓取輔助對接空間站。

目標介面卡（PDGF電力資料抓取夾具）

核心艙機械臂還能用於對接人員操作檯輔助航天員在空間站艙外實現大範圍轉移，進行艙外活動。

核心艙機械臂輔助航天員艙外活動

為了增強環境資訊感知能力，核心艙機械臂在肩部、肘部、腕部三處位置各配置一臺視覺相機，肩部與腕部視覺相機是雙目手眼相機，它可以在10米範圍內呈現出人眼立體成像效果，助力機械臂精準操控。

問天號實驗艙Ⅰ機械臂結構組成

實驗艙機械臂主要用於暴露平臺的載荷照料，例如實驗載荷的安裝、回收、更換等操作，也可支援航天員艙外活動，以及艙外裝置巡檢、大型載荷搬運等工作。

它還可以與核心艙機械臂直接對接，形成長度達15米的超長機械臂，並透過核心艙機械臂爬行功能實現對空間站外表面的全觸達

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問天號實驗艙Ⅰ機械臂安裝位置

除了完備的艙外遠端機械臂系統天宮空間站還有可能應用天宮二號空間實驗室在軌驗證過的機械手系統，該系統由5指仿人靈巧手與6自由度機械臂組成，並輔以視覺測量系統，由航天員在軌操作。

它可以跟隨航天員肢體同步運作，在軌驗證期間連續執行了拆卸電聯結器、撕開多層防護材料、使用電動工具擰鬆螺絲等模擬維修試驗，還可以抓取空中漂浮物，機械手系統研發目的是替代航天員執行艙外任務，大大減輕航天員出艙任務負荷，安全性更高。可以預見在天宮空間站任務中一套更為成熟的機械手系統必將再次閃耀太空。

天宮二號空間實驗室機械手在軌試驗

人們常說天宮空間站是麻雀雖小五臟俱全，而實際上它從裡到外都與“小”無關。四大艙段任一艙段規模皆超越所謂國際空間站的任一艙段，機械臂從小到大應有盡有，搭載科研機櫃數量更是與國際空間站等量齊觀。

天宮空間站一期工程最大構型

天宮空間站一路走來從簡陋的20噸級一居室，到三艙基本構型，再到如今三艙加巡天光學艙的110噸級擴充套件構型，後續還規劃有以天和二號核心艙為基礎的空間站二期擴充套件工程，屆時空間站規模將直逼200噸級，空間站建造方案屢屢擴容背後是綜合國力日益增強的發展紅利。我相信在其15年乃至更長時間服役生涯中還會誕生更多的太空奇蹟，進而為構建人類命運共同體作出更大貢獻。