Средства обеспечения работ с полезным грузом: система бортовых манипуляторов "Аист"

Манипулятор для космического корабля "Буран" был разработан в Государственном научном центре - Центральном научно-исследовательском и опытно-конструкторском институте робототехники и технической кибернетики (ГНЦ ЦНИИ РТК РФ) (Санкт-Петербург). Это учреждение было организовано в конце 1960-х годов на основе Опытного конструкторского бюро технической кибернетики.

Манипулятор "Бурана" на испытаниях на стенде, имитирующем невесомость. На фотографии видно, что манипулятор установлен по правому борту корабля и фиксируется в транспортном положении тремя узлами, поддерживающими манипулятор в подвижных сочленениях звеньев.

Для проведения испытаний в институте создали уникальный стенд (фото справа). Манипулятор, предназначенный для работы в открытом космосе, размещают на платформу, опирающуюся на воздушную подушку. Подобным образом проверяют и отрабатывают перемещение различных грузов в условиях искусственной невесомости. Манипулятор общей длиной (в "вытянутом" транспортном положении) 15 метров действует в трех плоскостях и имеет шесть вращательных степеней свободы. Система бортовых манипуляторов (СБМ) орбитального корабля состоит из двух манипуляторов весом по 360 кг - основного и резервного. На конце каждого манипулятора смонтирован захват, которым удерживается и перемещается полезный груз, при этом за ходом операции оператор наблюдает с помощью двух независимых телекамер, поворачивающихся в двух плоскостях, а прожектор освещает захват и нужное место на наружной поверхности космического аппарата или орбитальной станции.

Бурановский манипулятор имеет кинематическую схему, сходную с манипулятором Space Shuttle (RMS). Кроме шести вращательных степеней подвижности, он имеет одну транспортную степень (для начальной установки в грузовом отсеке корабля при закрытых створках грузового отсека). Звенья манипулятора ("плечо" и "локоть") выполнены шарнирно-стержневыми из легких, но прочных композиционных материалов (углепластика), которые приспособлены для космических условий с резким перепадом температур.

Управление манипулятором осуществляется через коммутатор, связанный с приводами звеньев и бортовым цифровым вычислительным комплексом (БЦВК), что позволяет использовать несколько режимов управления.

В режиме ручного управления действиями манипулятора руководит оператор с помощью двух рукояток на пульте управления манипуляторами, расположенном на задней стенке в командном отсеке кабины корабля. Одна рукоятка обеспечивает перемещение собственно манипулятора, а другая связана непосредственно с захватами. Контроль за операцией оператор осуществляет с помощью уже упомянутой выносной телевизионной системы.

Последовательность преобразования конфигурации орбитального корабля из стартовой в рабочую орбитальную

В автоматическом режиме управления манипулятор действует по заложенной в БЦВК программе. При этом БЦВК осуществляет связь манипулятора с оборудованием, размещенным вне корабля, рассчитывает оптимальную траекторию и требуемую скорость перемещения захватов с грузом, непрерывно контролируя работу всей системы, и при необходимости, внося необходимые коррективы.

В режиме целеуказания манипулятор может самостоятельно переместить захваты с полезным грузом в заранее заданную точку пространства.

Предусмотрен и резервный режим работы, при котором управляющие команды поступают на каждый шарнир манипулятора.

В отличие от своего американского аналога RMS, манипулятор "Бурана" имеет одну принципиальную особенность - он может управляться не только с борта орбитального корабля, но и с Земли. В этом случае в процессе работы из космоса напрямую в наземный Центр управления полетом (ЦУП) "сбрасывается" большой объем телеметрической информации, которая мгновенно анализируется, обрабатывается и полученные команды столь же быстро отправляются на орбиту и поступают в блок памяти БЦВК, откуда они передаются на манипулятор. Таким образом, оператор, находящийся в ЦУПе, сможет производить работы в открытом космосе с борта корабля, выполняющего непилотируемый автоматический полет.

Что же касается программ, помещаемых в блоках памяти БЦВК, то разработчики предусмотрели их хранение в основном и дополнительных блоках. Такое решение позволяет гибко планировать программу полета в зависимости от наличия или отсутствия экипажа на борту корабля.

В связи с закрытием программы "Энергия-Буран" манипулятор орбитального корабля так и не был испытан в условиях космического полета (в первом и единственном полете "Бурана" он не устанавливался, а второй полет в декабре 1991 г., в котором предусматривалось его испытание, так и не состоялся), однако проведенное наземное натурное и компьютерное моделирование позволило определить следующие особенности его движения:

- движение пустого схвата сопровождается колебаниями с амплитудой 7-10 см и частотой 0.5-1 Гц;

- при работе с грузом около 1 т амплитуда колебаний схвата за счет суммарной упругости (основная упругость сосредоточена в шарнирах и в схвате в месте крепления груза) составила 50 см;

- остановка груза весом 1.5 т и 6 т сопровождается колебательным переходным процессом со временем затухания порядка 2 и 4 минут соответственно.

Далее мы приводим иллюстрации из различных источников, предоставленные В.Лебедевым

Крепление бортового манипулятора:

Бортовой манипулятор

(цветные фотографии сделаны в помещении ВНИИТрансМаш, г.Санкт-Петербург, и публикуются с разрешения Прыгичева Т.В.):

Вид с корневого ("плечевого") узла крепления вдоль манипулятора	Вид на среднюю часть манипулятора	Вид на "кистевую" часть манипулятора
Вид на "локтевой сустав" манипулятора	Вид на "плечевой сустав" манипулятора	Вид на "кистевую" часть манипулятора
Демонстрация бортового манипулятора на одной из выставок		Вид на "кистевую" часть манипулятора

Для испытаний манипулятора в ГНЦ ЦНИИ РТК было построено специальное сооружение, позволявшее за счет специальной системы обезвешивания имитировать состояние невесомости, и производить наземную отработку манипулятора в условиях, максимально приближенных к натурным условиям реального космического полета:

- История создания "Бурана";

- Полет "Бурана";

- Описание "Бурана" в книге "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П.Королева: 1946-1996";

- Описание "Бурана" в книге Б.И.Губанова "Триумф и трагедия "Энергии". Размышления Главного конструктора";

- Глава "Многоразовая космическая система "Энергия-Буран" из книги В.Е.Гудилина, Л.И.Слабкого "Ракетно-космические системы: история, развитие, перспективы"