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世界热点评！航天人梁常春：十年磨“剑” 擎“臂”太空

2023-02-16 07:40:01来源：中国青年报  

由中国青年报社联合七匹狼举办的“越奋斗·越青春”活动中，航天青年梁常春讲述他的航天故事和梦想。


【资料图】

对梁常春而言，与航天结缘，源于一场美丽的“意外”。而恰是这次“意外”，令梁常春十年磨“两剑”，研制出灵活而有力的“百变神臂”，在浩瀚太空中“予取予求”。

梁常春现任中国航天科技集团第五研究院空间站机械臂控制系统主任设计师、高级工程师。2012年，梁常春从同济大学机械设计制造及自动化专业硕士毕业。毕业前偶然参加的一场中国航天科技集团宣讲会，燃起梁常春的航天梦想。

48小时，嫦娥五号机械臂采回1.7千克月壤

入职航天五院总体设计部不久，梁常春便被予以重任——研发嫦娥五号表取采样机械臂。

嫦娥五号是中国嫦娥探月工程中首颗地月采样往返探测器，是“绕、落、回”中的第三步，其中关键任务就是实现月面无人采样并返回地球。

任务艰巨且重要，梁常春内心又激动又忐忑。他激动于深度参与国家航天重大工程的分量和意义，又忐忑于自身经验的远远不足，需要尽快转换心态和角色，迎接挑战和考验。

梁常春告诉中青报·中青网记者，嫦娥五号机械臂的主要功能就是用来在未知的月表环境下完成自动采样、封装以及样品转移这一系列复杂动作，需要在有限的时间窗口内采集更多的月壤样品。

研制过程难以避免遭遇了诸多现实困境。“对于我们国家而言，当时尚没有类似一种机械臂在星表的应用经验，从工程角度来讲确实是从无到有的过程。”梁常春说。

从中国数十年航天工程的深厚积累中，从大量卫星、探测器等航天器的复杂机电装置中，梁常春寻觅到可资借鉴的宝贵经验。

机械臂有着近乎矛盾的两面：一方面精度要求极高，一方面重量严格受限。

梁常春说，在月表1/6地表重力特殊的应用环境中，采集、抓取、转移等高精度的动作要求，都对机械臂控制系统提出高要求。

控制系统是以软件算法为核心，既然无先例可循，如何破“零”之局？

梁常春一步步推导、攻关，自己编写几千行MATLAB程序代码，形成了空间机械臂控制算法的第一代SIMULINK模型库，攻克了高精度视觉伺服容器抓取与转移技术，解决了嫦娥五号的多点不确定地形采样与容器高精度转移难题。

“从无到有去开发、积累、调试，这的确是一个艰辛的过程。”梁常春感慨。

对于这根如钓鱼竿般纤细的机械臂而言，艰辛之处还在于如何去真实模拟月表环境进行验证。

为了确保万无一失，研发团队采取悬吊法、斜面法等多种手段反复验证，预设各种能想到的故障并一一测试，将机械臂不断迭代，趋于“完美”。

2020年11月24日，嫦娥五号成功发射，飞向月球。12月1日，嫦娥五号成功落月，并将开启为时48小时的月壤采集任务。

对于梁常春而言，这48小时就像8年前刚接到研发机械臂任务时一样激动而忐忑。

全神贯注盯着屏幕上的月面采样实时影像，钻土、铲土、挖土、夹土、放土……机械臂的每一个动作，梁常春都既熟悉又“陌生”。熟悉的是，这些动作他曾多次操纵机械臂完成；“陌生”的是，如今这些动作是在月球上真实上演完成。

12月17日，约1.7千克月壤被封装带回地球，梁常春初战告捷。

10米长、7个关节，空间站机械臂能搬运25吨重物体

中国载人空间站机械臂体型庞大，有10米长、7个关节，既能搬运25吨重大舱段，又能快速抓捕残余速度很大的悬停飞行器，被称作是“灵活的大胖子”。

2016年，在研发嫦娥五号机械臂的同时，梁常春开始担任中国“天宫”载人空间站大型机械臂控制系统负责人。

相比嫦娥五号机械臂，空间站机械臂在应用环境和执行任务方面存在巨大差异。

“空间站机械臂是要在我国唯一的太空实验室中长期在轨应用的一套重要智能机械装备，可以完成舱外大范围巡检、支持航天员出舱活动、安装舱外暴露载荷等多种重要工作，可以说是空间站表面配置的一个灵活的手臂。”梁常春说。

为此，类似零重力环境如何模拟、怎样让有限的臂长覆盖大范围的舱段作业区域等，都成为研发团队需要一一攻克的难题。

从机械臂长度和移动方式等方面着手研发，在最初设计过程中，梁常春也曾考虑过国际空间站所使用的移动导轨，但发现其并不适用中国空间站。

“团队每个成员都在琢磨，这个机械臂到底长成什么样子才是合理的。”梁常春给出答案：好看的往往都是合理的。

从模仿人的手臂开始，研发团队分析关节和臂杆布局的配置，为了实现全空间的灵活运动，关节的自由度必不可少。

为此，空间站机械臂设计成7个关节，即实现7个自由度，在每个关节上都设置有丰富的传感器和电路，在太空中能够实现类似人类手臂的运动能力。

如何实现机械臂在舱体上覆盖“爬行”？无意间，团队从圆规中得到灵感，将机械臂创新设计成拥有两只脚（手）即末端执行器、一个大脑即中央控制器的结构。

“中央控制器作为整臂的大脑，我们将它放到了离臂本体最近的地方。”梁常春说，机械臂对称配置，可以首尾互换，很好地解决了功能性难题。

梁常春曾形容说，“两根臂杆展开后在舱表爬行时，仿佛就是一个巨大的圆规在空间站表面辗转腾挪”。

在梁常春看来，空间站机械臂最主要的特色就是“爬行”功能，“团队利用最少的资源和代价，在有限臂长的基础上实现了整站作业区域的覆盖，是一大创新”。

日复一日，年复一年，在无数次推倒重来的“归零”中，梁常春带领团队一轮轮迭代优化，誓言做到“世界最好”。如今，空间站机械臂能够圆满完成舱外巡检、辅助航天员出舱作业任务等各项任务，在技术、功能等方面达到世界先进水平。

“从事航天工作一定要有良好的心态和如履薄冰的责任感，要善于从复杂的工程技术难题中寻找规律。”10年前，梁常春第一次听到这句话时就将其深深印在心底，也践行在行动中。

从“上天揽月”，到“手摘星辰”，在追逐航天梦的过程中，梁常春勇于担当，甘于奉献。如今，他在深空后续探测、小天体采样、载人月球探测等任务中继续践行航天精神，为建设航天强国奉献自己的青春力量。

中青报·中青网记者 李川 来源：中国青年报

标签： 控制系统 研发团队 中国航天

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