Роботизированная рука Canadarm

Канадарм (англ. Canadarm, от Canada — Канада и arm — рука; официальное обозначение Shuttle Remote Manipulator System, SRMS) — это роботизированная манипуляторная система, разработанная Канадским космическим агентством (CSA) для использования на американских многоразовых космических кораблях «Спейс шаттл». Представляет собой дистанционно управляемую механическую руку длиной 15,2 метра, предназначенную для захвата, перемещения и удержания грузов в открытом космосе, а также для обслуживания космических аппаратов и станций. Канадарм стал первым крупным космическим роботом, работавшим в условиях невесомости, и сыграл ключевую роль в программе «Спейс шаттл» (1972–2011), а также в строительстве и эксплуатации Международной космической станции (МКС).

История создания

Предпосылки и начало разработки

В начале 1970-х годов Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) приступило к разработке программы «Спейс шаттл» — многоразового космического корабля, способного выводить на орбиту грузы массой до 29,5 тонн. Для эффективной работы с полезной нагрузкой на орбите требовалась система, позволяющая извлекать грузы из грузового отсека шаттла, перемещать их и, при необходимости, возвращать обратно. В 1975 году NASA и Канадское космическое агентство (тогда — Канадский совет по космосу) подписали соглашение о сотрудничестве, в рамках которого Канада обязалась разработать и построить дистанционный манипулятор для шаттла.

Разработка и испытания

Проектирование и изготовление Канадарма осуществлялось компанией Spar Aerospace (ныне MDA Space Missions) в Торонто (Канада). Работы начались в 1976 году и потребовали решения ряда инженерных задач, связанных с работой в вакууме, экстремальных температурах (от -150 до +150 °C) и микрогравитации. Первый прототип, получивший обозначение Engineering Model, был испытан на Земле в 1978 году. В 1980 году был изготовлен лётный образец (Flight Model), который прошёл серию наземных и лётных испытаний на борту шаттла «Колумбия».

Первый полёт

Канадарм впервые отправился в космос 12 ноября 1981 года на борту шаттла «Колумбия» (миссия STS-2). В ходе полёта манипулятор успешно выполнил тестовые операции: развёртывание, складывание, захват и перемещение тестового груза массой 200 кг. Однако из-за неисправности одного из датчиков полная функциональность была подтверждена лишь в следующей миссии STS-3 (март 1982 года). После этого система была признана работоспособной и допущена к эксплуатации.

Конструкция и устройство

Основные компоненты

Канадарм состоит из трёх основных сегментов:

• Плечо (Upper Arm) — верхняя секция длиной около 6,4 метра, соединяющаяся с основанием.
• Предплечье (Lower Arm) — нижняя секция длиной около 7,3 метра, заканчивающаяся захватом.
• Захват (End Effector) — механическое устройство, предназначенное для захвата и удержания грузов. Захват оснащён тремя пальцами, которые зажимают специальный фиксатор (Grapple Fixture) на грузе.

Все сегменты соединены шарнирами, обеспечивающими семь степеней свободы: три в плечевом суставе, один в локтевом и три в запястном. Это позволяет манипулятору имитировать движения человеческой руки.

Материалы и приводы

Канадарм изготовлен из лёгких, но прочных материалов: углепластиков, алюминиевых сплавов и титана. Общая масса системы составляет около 410 кг, при этом она способна перемещать грузы массой до 29 500 кг на орбите (в условиях невесомости). Приводы — электромеханические, с использованием шаговых двигателей и редукторов. Электропитание подаётся от бортовой сети шаттла (напряжение 28 В постоянного тока).

Управление

Управление Канадармом осуществляется из кабины шаттла с помощью двух ручных контроллеров (джойстиков) и монитора, отображающего изображение с камер, установленных на манипуляторе. Один джойстик управляет положением захвата, другой — его ориентацией. Оператор может работать как в ручном, так и в автоматическом режиме, используя заранее заданные траектории. В критических ситуациях предусмотрено аварийное отключение.

Модификации и варианты

Канадарм (SRMS)

Базовая версия, использовавшаяся на шаттлах с 1981 по 2011 год. Всего было изготовлено пять лётных экземпляров (один — для миссий STS-2 и STS-3, четыре — для постоянной эксплуатации). Каждый экземпляр имел индивидуальные особенности, но все были взаимозаменяемы.

Канадарм2 (SSRMS)

В 2001 году на МКС была установлена модернизированная версия — Канадарм2 (Space Station Remote Manipulator System, SSRMS). Она длиннее (17,6 метра), имеет больше степеней свободы (восемь) и способна перемещаться по рельсам вдоль фермы станции. Канадарм2 используется для обслуживания МКС, захвата грузовых кораблей (например, «Прогресс» и Dragon) и помощи в проведении выходов в открытый космос.

Канадарм3 (Dextre)

В 2008 году на МКС был доставлен Канадарм3 (Dextre, Special Purpose Dexterous Manipulator) — манипулятор с двумя руками, предназначенный для выполнения точных операций, таких как замена блоков оборудования. Он работает совместно с Канадарм2.

Применение

Работа с грузами на шаттле

Основная задача Канадарма — извлечение полезной нагрузки из грузового отсека шаттла и её перемещение в космическое пространство. Например, в миссиях STS-41-B (1984) и STS-41-C (1984) манипулятор использовался для развёртывания спутников связи и ремонта спутника Solar Max. В миссиях STS-61-A (1985) и STS-61-B (1985) — для захвата и возвращения спутников.

Строительство МКС

Канадарм сыграл ключевую роль в сборке МКС. В 1998–2000 годах манипулятор использовался для захвата и установки модулей станции, таких как «Заря» (Россия) и «Юнити» (США). В 2000–2001 годах — для перемещения ферменных конструкций и солнечных батарей. После установки Канадарм2 на МКС в 2001 году, Канадарм на шаттлах продолжал использоваться для стыковки и разгрузки кораблей.

Обслуживание космических аппаратов

В 1993 году Канадарм участвовал в миссии STS-61 по ремонту космического телескопа «Хаббл». Манипулятор захватил телескоп, переместил его в грузовой отсек шаттла, где астронавты провели замену оборудования. Аналогичные операции проводились в 1997 году (STS-82) и 2002 году (STS-109).

Интересные факты

• Канадарм стал первым космическим роботом, который использовался для захвата и возвращения спутника на Землю (в миссии STS-51-A, 1984 год).
• Система была разработана и построена в Канаде, что стало важным вкладом этой страны в международную космическую программу. За это Канада получила право на участие в программе МКС.
• В 1991 году Канадарм был включён в Книгу рекордов Гиннесса как самый большой робот, работавший в космосе.
• Во время миссии STS-115 (2006 год) Канадарм использовался для перемещения сегмента фермы МКС массой 17,5 тонн — это был самый тяжёлый груз, когда-либо перемещавшийся роботом в космосе.
• После завершения программы «Спейс шаттл» в 2011 году, все пять экземпляров Канадарма были выведены из эксплуатации. Один из них (модель Engineering Model) находится в Канадском музее авиации и космоса в Оттаве, другой — в Национальном музее авиации и космоса в Вашингтоне (США).

Критика и ограничения

Несмотря на успешную эксплуатацию, Канадарм имел ряд недостатков. Во-первых, система была громоздкой и требовала длительного обучения операторов. Во-вторых, манипулятор не мог работать в условиях сильного солнечного света, так как датчики слепнули от бликов. В-третьих, в случае отказа одного из двигателей или датчиков, Канадарм мог заклинить, что создавало риск для экипажа и груза. Однако за 30 лет эксплуатации не было зафиксировано ни одного серьёзного отказа, приведшего к аварии.

Источники

• Канадское космическое агентство (CSA). «Canadarm: A History of the Shuttle Remote Manipulator System». — 2011.
• NASA. «Space Shuttle Mission Reports» (STS-2, STS-3, STS-41-B, STS-61). — 1981–2002.
• Spar Aerospace. «Design and Development of the Canadarm». — 1980.
• Книга рекордов Гиннесса. «Largest Robot in Space». — 1991.
• Журнал «Космическая техника и технологии». «Роботизированные системы в космосе: опыт Канады». — 2015.