Canadarm

Канадарм (Canadarm) — это серия роботизированных манипуляторов, разработанных Канадским космическим агентством (CSA) для использования на американских космических кораблях многоразового использования «Спейс Шаттл» (Space Shuttle). Официальное название системы — Shuttle Remote Manipulator System (SRMS). Канадарм представлял собой гибкий, управляемый с борта шаттла манипулятор, предназначенный для развёртывания, захвата и перемещения полезных грузов в открытом космосе, а также для обслуживания космических аппаратов и помощи космонавтам во время выходов в открытый космос.

История создания

Предпосылки

В начале 1970-х годов Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) приступило к разработке программы «Спейс Шаттл». Для эффективной работы с грузами на орбите требовалась система, способная манипулировать объектами массой до нескольких тонн. В 1975 году NASA и Канадское космическое агентство заключили соглашение о сотрудничестве, в рамках которого Канада обязалась разработать и построить роботизированную руку для шаттлов в обмен на участие канадских астронавтов в полётах.

Разработка

Разработкой Канадарма занималась канадская компания Spar Aerospace (ныне MDA Corporation) при поддержке правительства Канады. Проект начался в 1975 году, а первый полётный экземпляр был поставлен NASA в 1981 году. Общая стоимость программы разработки и производства всех манипуляторов составила около 100 миллионов канадских долларов.

Эксплуатация

Первый Канадарм был установлен на шаттл «Колумбия» (STS-2) в ноябре 1981 года. Всего за время программы «Спейс Шаттл» (1981–2011) было произведено пять манипуляторов, которые использовались на всех пяти шаттлах: «Колумбия», «Челленджер», «Дискавери», «Атлантис» и «Индевор». Канадарм участвовал в более чем 90 миссиях, включая развёртывание и ремонт космического телескопа «Хаббл», сборку Международной космической станции (МКС) и обслуживание спутников.

Конструкция и технические характеристики

Общее устройство

Канадарм представлял собой шарнирный манипулятор с шестью степенями свободы, что позволяло ему перемещать грузы в любом направлении и ориентировать их в пространстве. Основные элементы конструкции:

• Плечо — состоит из трёх сегментов (верхнее плечо, предплечье и запястье), соединённых шарнирами.
• Запястье — оснащено тремя вращательными шарнирами, обеспечивающими наклон, поворот и вращение захвата.
• Захват — специальный механизм (End Effector) для захвата грузов с помощью трёх кабельных петель, которые затягиваются вокруг штифта на грузе.
• Система управления — два пульта управления (один на борту шаттла, другой в грузовом отсеке) с джойстиками и видеокамерами.

Размеры и масса

• Длина в развёрнутом состоянии: 15,2 метра.
• Диаметр сегментов: 0,33 метра.
• Масса: около 410 кг.
• Грузоподъёмность: до 29 500 кг в условиях невесомости (на Земле манипулятор не мог поднять собственный вес из-за гравитации).

Материалы

Основные элементы изготовлены из алюминиевых сплавов, титана и композитных материалов (углепластик). Внешняя оболочка покрыта многослойной теплоизоляцией для защиты от перепадов температур в космосе (от -150°C до +120°C).

Принцип работы

Управление

Управление Канадармом осуществлялось одним из членов экипажа (обычно специалистом по полезной нагрузке) с помощью двух рукояток — Translational Hand Controller (THC) и Rotational Hand Controller (RHC). Первая отвечала за перемещение манипулятора в пространстве, вторая — за ориентацию захвата. Оператор мог видеть изображение с видеокамер, установленных на запястье и в грузовом отсеке шаттла.

Режимы работы

• Ручной режим — оператор напрямую управляет каждым шарниром.
• Автоматический режим — манипулятор выполняет заранее запрограммированные движения.
• Режим захвата — захват автоматически затягивает петли вокруг штифта груза, фиксируя его.

Безопасность

Система имела несколько уровней защиты: ограничители скорости, датчики столкновений и аварийное торможение. В случае отказа электроники манипулятор мог быть остановлен вручную с помощью механических фиксаторов.

Модификации и варианты

Канадарм-1 (SRMS)

Базовая версия, использовавшаяся на всех шаттлах. Имела длину 15,2 м и грузоподъёмность до 29,5 т.

Канадарм-2 (MSS)

Разработан для Международной космической станции. Установлен на МКС в 2001 году. Отличается большей длиной (17,6 м), повышенной грузоподъёмностью (до 116 т) и возможностью передвигаться по внешней поверхности станции с помощью специальных портов. Используется для сборки модулей, перемещения оборудования и помощи космонавтам.

Канадарм-3 (Canadarm3)

Планируемая версия для будущей лунной орбитальной станции Gateway. Разработка ведётся с 2020-х годов. Ожидается, что манипулятор будет иметь длину около 15 м и сможет работать в условиях лунной орбиты.

Применение

Развёртывание и захват грузов

Основная функция Канадарма — извлечение спутников и других полезных грузов из грузового отсека шаттла и их развёртывание на орбите. Также манипулятор использовался для захвата возвращаемых аппаратов (например, спутников, требующих ремонта).

Обслуживание космических аппаратов

Канадарм активно применялся при ремонте и модернизации космического телескопа «Хаббл». В ходе пяти миссий (1993–2009) манипулятор захватывал телескоп, удерживал его во время работ астронавтов и возвращал на орбиту.

Сборка МКС

В период с 1998 по 2011 год Канадарм использовался для перемещения и установки модулей МКС, а также для помощи в выходах в открытый космос. После завершения программы «Спейс Шаттл» его функции на МКС перешли к Канадарму-2.

Помощь космонавтам

Манипулятор мог служить платформой для космонавтов во время выходов в открытый космос. На его запястье устанавливалась специальная платформа (Manipulator Foot Restraint), позволяющая астронавту работать в труднодоступных местах.

Интересные факты

• Канадарм стал первым космическим роботом, способным захватывать и перемещать объекты в открытом космосе.
• В 1984 году с помощью Канадарма был впервые в истории захвачен и возвращён на Землю спутник (Solar Max), требующий ремонта.
• Манипулятор был настолько надёжен, что за 30 лет эксплуатации не произошло ни одного серьёзного отказа, приведшего к потере груза.
• Канадарм-2, установленный на МКС, имеет длину 17,6 м и может выдерживать нагрузки до 116 т, что эквивалентно весу двух полностью загруженных шаттлов.
• В 2011 году, после завершения программы «Спейс Шаттл», один из Канадармов был передан в Канадский музей авиации и космоса в Оттаве.

Критика и ограничения

Несмотря на высокую надёжность, Канадарм имел ряд недостатков:

• Ограниченная грузоподъёмность на Земле — манипулятор не мог работать в условиях земной гравитации, что затрудняло наземные испытания.
• Зависимость от визуального контроля — операторы полагались на видеокамеры, что создавало риск столкновений при плохой видимости.
• Сложность ремонта — в случае отказа электроники или механики на орбите ремонт был крайне затруднён из-за отсутствия запасных частей.

Источники

• Канадское космическое агентство (CSA). «Canadarm: Shuttle Remote Manipulator System». — 1981.
• NASA. «Space Shuttle Program: Canadarm Operations Manual». — 1990.
• MDA Corporation. «Technical Specifications of the Canadarm». — 2000.
• Журнал «Космическая техника и технологии». «Канадарм: 30 лет на орбите». — 2011.
• Музей авиации и космоса Канады. «Canadarm: A Canadian Icon in Space». — 2012.