Халықаралық ғарыш станциясының ресейлік сегментіндегі роботтық қол

Кіріспе

Еуропалық робот қолы (ERA) – Халықаралық ғарыш станциясының Ресей орбиталық сегментіне (РОС) орнатылған робот қол. 2021 жылдың шілдесінде ғарыш станциясына жіберілді; бұл станцияның ресейлік сегментінде жұмыс істей алатын алғашқы робот қол. Бұл қол бастапқыда Пирс модуліне орнатылған, бірақ кейіннен Пойск және Заря модульдерінің түйістіру бөлімшесіне көшірілген екі ресейлік "Стрела" жүк крандарын толықтырады. ERA Еуропалық ғарыш агенттігі (ESA) үшін бірнеше еуропалық ғарыш компаниялары жасады. Airbus Defence and Space Netherlands (бұрынғы Dutch Space) қолды жобалады және құрастырды, сондай-ақ бас мердігер болды; ол 8 елдегі қосалқы мердігерлермен бірлесе жұмыс істеді. 2010 жылы қолға арналған қосалқы шынтақ буыны және ERA-ның Портативті жұмыс станциясы алдын ала жіберілді, Rassvet немесе Mini Research Module 1 (MRM 1) модуліне бекітілді. Наука және Причал модульдері ERA үшін негізгі база болып табылады; бастапқыда қол жойылған Ресейлік зерттеу модуліне, кейіннен де жойылған Ғылым қуат платформасына орнатылмақ болған.

Техникалық сипаттамалары

Еуропалық робот қол екі "бүгіл"ден тұрады, олар көміртек талшығымен күшейтілген пластиктен жасалған, шамамен 5 м (16 фут) ұзындықтағы симметриялық бөлімдер. Қолдың екі басында бірдей қысқыш механизмдер орналасқан, олар "соңғы эффекттер" (EES) деп аталады, және қол станцияға ілінісуге, жүктерді ұстауға, сондай-ақ ашық ғарыштағы жұмыстарға көмектесуге қолданылады. Орташа есеппен қол жұмыс істеу үшін 475 ватт қуатты пайдаланады, ал максималды қуат тұтынуы 800 ваттқа жетеді. Күту режимінде қол 420 ватт, ал ұйықтау режимінде 250 ватт тұтынады. ERA-ның негізгі орталық процессорлық блогы (CPU) ECC-нің RISC жүйесінде орналасқан. Негізгі процессор – Temic компаниясы жасаған 10 МГц тактылық жиілігі бар ERC32, 1,5 мегабайт (Мб) жадты және 32 килобайт (Кб) ROM-ды қолдайды. Қол станциядан басқарыла алатынымен қатар, жердегі операторлар да оны басқара алады.

EVA бақылау

Сыртқы кеңістіктегі басқару арнайы жасалған интерфейс арқылы жүзеге асырылады, оны ғарыш киімінде киген кезде басқаруға болады. Бұл интерфейс Extra Vehicular Activity Man Machine Interface (EVA MMI немесе EMMI) деп аталады. EVA MII-де әрқайсысы сегіз таңбадан тұратын 16 LED дисплейі бар; олар маңызды күй туралы мәліметтерді, команданы тексеру деректерін және төтенше жағдайлар туралы ескертулерді көрсетеді. Сондай-ақ, маңызды күй туралы деректерді дублирленген LED-тер арқылы қамтамасыз етеді. 1992 жылы Hermes бағдарламасын тоқтату туралы шешім қабылданғаннан кейін, ESA және Ресей ғарыш агенттігі HERA технологиясын Mir 2 ғарыш станциясына қызмет көрсету үшін пайдалануға келісті. Кейіннен бұл Еуропалық робот қолға (ERA) айналды. Осы кезде қолдың дизайнына басқару компьютері қосылды, сондай-ақ екі жаңа операциялық консоль жасалды: біреуі EVA-дағы ғарышкер үшін, екіншісі станция ішіндегі ғарышкер үшін. Зерттеу модулі тоқтатылғаннан кейін ERA Ресейдің ғылыми қуат платформасына көшірілді, ол қолдың операциялық базасы болжаныпты. Оның қойма орнына көшірілгеннен кейін бірінші міндеті күн батареясы жүйесінің бір бөлігін орнату еді. 1997 жылы ERA дизайнына екі маңызды өзгеріс енгізілді. Біріншісі – буындар ғарыш кемесінің ұшыруын жеңілдету үшін өзгертілді. Екіншісі – ERA-ның борттық компьютерлері ESA-ның деректерді басқару жүйесіне көшірілді. Сол жылы ERA үшін адам-машина интерфейстерін бағалау және қайта қарау жұмыстары басталды. ХҒС-ке астронавттар мен ғарышкерлерді, сондай-ақ сарапшыларды тарту бірнеше дизайндық жақсартуларға әкелді. 1997 жылы ERA инженерлік үлгілерін жасау және сынау да басталды. Электрлік интерфейс үлгісі ERA жүйелері мен ХҒС-ның ресейлік сегментінің элементтері арасындағы электрлік интерфейстерді тексеру үшін Ресейге жіберілді. 2005 жылы ESTEC-те екі оқу курсы өткізілді, ал 2006 жылдың маусым айында қайта даярлау курсынан кейін тоғыз ресейлік оқытушы сертификат алды. 2006 жылдың ақпан және наурыз айларында Ресейге Еуропалық робот қолды дайындау және оқытуға арналған жабдықтар жеткізілді, олар қолды пайдалануға оқыту үшін, сондай-ақ оны ұшыруға және пайдалануға дайындық үшін қолданылатын болады. Жабдықтар сонымен қатар ХҒС-тің Ресейдегі миссиялық басқару орталығына жеткізілді және миссияны бақылау мақсатында пайдаланылатын болады. Техникалық мәселелерге байланысты ұшыру 2007 жылдан 2012 жылға дейін кейінге қалдырылды. 2010 жылы Space Shuttle Atlantis станцияға STS 132 рейсімен (NASA-мен келісімнің бөлігі ретінде) Rassvet (Mini Research Module 1) жеткізілді, оған орбитада өзін-өзі жөндеуге мүмкіндік беретін 2 буыны бар қосалқы шынтақ буыны және ERA-ға арналған Портативті жұмыс платформасы кірді. Кешігулердің салдарынан ERA-ны ұшыру 2014 жылға дейін кейінге қалдырылды. MLM модулін әзірлеудегі мәселелерге байланысты ұшыру одан әрі кейінге жылды, және оны ұшырудың ең ерте мерзімі 2015 жылдың соңы болды. Наукамен байланысты мәселелер ұшыруды 2021 жылдың қаңтарына дейін бірнеше рет кейінге жылдырды. Жаңа коронавирустық инфекцияға байланысты алаңдаушылықтар Протон зымыраны мен Наука жұмыстарын кейінге жылдырды, нәтижесінде ұшыру 2021 жылдың мамырына ауыстырылды. 2020 жылдың мамырында ERA соңғы өңдеу үшін Байқоңырға жеткізілді. 2021 жылдың 20 мамырында қол Наука модулінің корпусына бекітілді. ERA 2021 жылдың 21 шілдесінде Наука модулімен бірге Протон зымыранымен ұшырылды, бұл жоспарланғаннан 20 жыл, ал алғашқы жобаланғаннан 35 жыл өткен соң болды. Ол сәтті тоқтады және 2021 жылдың 29 шілдесінде сағат 13:29 UTC бойынша станцияға қосылды.

Control from outside the space station uses a specially designed interface that can be controlled while in a spacesuit known as the Extra Vehicular Activity Man Machine Interface (EVA MMI or EMMI). The EVA MII has 16 LED displays of eight characters each; displaying essential status data, command verification data and emergency caution and warning messages. It also provides redundancy for critical status data through redundant LEDs. After the decision to cancel the Hermes program, ESA and the Russian Space Agency, in 1992, agreed to use the HERA technology to service the Mir 2 Space Station. The name was then changed to the European Robotic Arm (ERA). It was here that a control computer was added to the arm's design, as well as two new operational consoles were designed, one for a cosmonaut in EVA, and one for a cosmonaut inside the station. Following the cancellation of the Research Module ERA was moved to the Russian Science Power Platform, which would have become the base of operations for the arm. Its first mission after being relocated to its storage position would have been to install part of the solar array system. With the change to a shuttle launch, two major changes to the ERA design were made in 1997. The first being that the joints were altered to facilitate launch on the Space Shuttle. Secondly the ERA on board computers were switched to being based on the ESA's Data Management System. That same year also saw evaluation and review of the Man Machine Interfaces for ERA start. The inclusion of ISS astronauts and cosmonauts along with experts led to several design improvements. Manufacturing and testing of ERA engineering models also started in 1997. The electrical interface model was shipped to Russia to verify electrical interfaces between the ERA systems and elements of the Russian segment of the ISS. Training of instructors was complete in 2005 with two training courses being held at ESTEC with nine Russian instructors receiving certification the following year after a refresher training course in June 2006. In February and March 2006, the Mission Preparation and Training Equipment for the European Robotic Arm was delivered in Russia, which would be used for training to use the arm as well as preparation for both its launch and use. Equipment was also delivered to the Russian Mission Control Centre for the ISS, and would be used for mission monitoring purposes. Following technical issues, the launch was delayed from 2007 to 2012. In 2010, the Space Shuttle Atlantis delivered Rassvet (Mini Research Module 1) on STS 132, (as a part of an agreement with NASA) to the station, which included a spare elbow joint with 2 limbs to allow the actual to repair itself while in orbit and the Portable Work Platform for the ERA, which will be used during EVAs. Further delays resulted in the ERA launch being delayed to 2014. Due to issues in the development of the MLM module, the launch was further delayed, and the earliest it could have launched was the end of 2015. Further issues with Nauka resulted in the launch being delayed several more times until January 2021. Due to concerns over the novel coronavirus, work on the Proton rocket and Nauka was delayed, which resulted in the launch being delayed to May 2021. In May 2020 the ERA was shipped to Baikonur for final processing. On 20 May 2021 the arm was attached to the hull of the Nauka module. The ERA was launched on 21 July 2021 atop a Proton rocket alongside the Nauka module, 20 years after its originally planned launch and 35 years after it was first designed. It successfully docked and was attached to the station on 29 July 2021 at 13:29 UTC.

Бастау конфигурациясы

Ұшыру кезінде ERA Наука модуліндегі ұшыру позициясында орналастырылды, бұл конфигурация "Чарли Чаплин" деп аталды. Ұшыру барысында екі ұштық атқарушы құрылғысы арнайы базалық нүктеге іліндірілді, олардың әрқайсысы жүк ілгіш жүйе ретінде жұмыс істеді. Сонымен қатар, қол алты ұшыру бекіткіш механизмі арқылы Наукаға бекітілді. Әрбір механизм ERA-ны оның орнату орнына бекітетін бір немесе екі ілгектерден тұрады, ал болашақ ғылыми-зерттеу жұмыстары кезінде бұл ілгектер босатылып, ERA операцияға дайындық бастауына жағдай жасайды. Бұл бекіту нүктелері шынтақ буынында, білектегі электрондық блоктарда және айналу буынында орналасқан.

ERA-ны растау операциялары мен қолдану

Еуропалық робот қолды құрастыру және тексеру бес кезеңнен тұрады. Бірінші бөлім – ERA және оның басқару интерфейстерін қосу және сынау, сондай-ақ қолдың алғашқы тексеруін жүргізу. Бұл 2021 жылдың 22 қыркүйегінде ЕКА ғарышкері және ұшу инженері Томас Песке, Роскосмос ғарышкері және ұшу инженері Петр Дубровпен бірге «Наука» модулінде ERA контроллерінің аппараттық және бағдарламалық құралдарын конфигурациялау үшін жұмыс істеді. ERA ноутбугін сынау барысында сыртқы басқару панелі мен ресейлік басқару компьютері жақсы жұмыс істеп, бір-бірімен байланыс жасай алатыны анықталды, бірақ алғашқы сынақтар «Zvezda» мен «Наука» арасындағы деректерді беруде қиындықтарды көрсетті, бұл ERA-ның іске қосылуын кешіктіруі мүмкін. ХҒО, Ресейдің ғарыш миссиясын басқару орталығы және Нидерландыдағы Еуропалық робот қолды қолдау орталығы арасындағы байланыс желілері сәтті сынақтан өтті. Алғашқы тексерулерге сыртқы адам-машина интерфейсінің тексеруі және ERA-ның ХҒО-ның сыртында орналасқан базалық нүктеге қосылғанда дұрыс байланыса алатындығы кірді. Адам-машина интерфейсін тексеру үшін ғарыштан шығу қажет болды. Екінші кезең ERA-ның көшіру мүмкіндіктерін орнату және тексеруді қамтыды. Бұл кезеңде ішкі және сыртқы адам-машина интерфейстері бағаланды. Ғарыштан шығу кезінде ғарышкер ERA-ны ұшыру конфигурациясында ұстап тұрған ұшыру шектеулерін алып тастады, сондай-ақ қалған ұшыру қақпақтарын бөлшектеді. 2022 жылдың 28 сәуірінде ғарышқа шығу сериясының екіншісі өтті, оның барысында Артемьев пен Мартвеев қолды ұшыру орнынан шығарды, қолды ұстауға мүмкіндік беретін механизмдерді босатып, қосымша ұшыру құлыптарын ашты, сондай-ақ құрылғыда және оның маңында жұмыс істеуді жеңілдету үшін қол тіреулерін орнатты. Осыдан кейін ERA кеңейтіліп, «Наука» модуліндегі қолданыстағы интерфейстерге қосылуға бұйрық берілді және модульдің алдыңғы жағына жылжытылды. Ғарыштан шығу кезінде қолды Сергей Корсаков басқарды. Серияның үшінші ғарыштан шығуы мамыр айының ортасында өтеді және оны Олег Артемьев пен Саманта Кристофоретти орындайды. 2022 жылдың 22 маусымында BTL 3 тұтқа құрылғысына қосылу әрекеті сәтті аяқталды және базалық команда мен басқару BTL 2 құрылғыларында EE2-ден EE1-ге ауыстырылды. Бұл кезеңде ғарышкер ERA-ның білегі және шынтақ буынында орналасқан камераларды орнатты. ERA-да қажетті ғарыштан шығулар аяқталғаннан кейін буындық сынақтар жүргізілді, содан кейін бірнеше буындық сынақтар жасалды. Осы сынақтар аяқталғаннан кейін ERA ХҒО бетіндегі тұтқа нүктелерімен жылжытылды және портативті жұмыс платформасын тұтқамен ұстап, жылжыту бұйрығымен тексерілді. 2010 жылы MRM 1 модулімен бірге ұшырылған портативті жұмыс платформасы ERA-ның соңына қосылып, космонавттарға ғарыштан шығу кезінде қолдың соңында отыруға мүмкіндік береді. Жұмыс аяқталғаннан кейін ERA күйге түсірілді.

The assembly and Validation of the European Robotic Arm will be conducted in five different stages. The first part was the connecting and testing of ERA and its control interfaces, as well as conducting an initial check of the arm. This was performed on 22 September 2021 when ESA astronaut and Flight Engineer Thomas Pesquet, worked with Roscosmos cosmonaut and Flight Engineer Pyotr Dubrov in Nauka to configure the ERA controller hardware and software. During testing the ERA laptop, external control panel and the Russian control computer were shown to being working well, and able to communicate with each other but initial tests showed glitches in data transmission between Zvezda and Nauka which could cause delays to ERA deployment. Communication links between the ISS, Russian Mission Control Centre, and the European Robotic Arm Support center in the Netherlands were successfully tested. Initial checks also included the validation of the external Man Machine Interface and that the ERA can communicate properly while connected to a base point located on the outside of the ISS. To validate the MMI an EVA was required. The second stage included the installation and validation of the ERA's transfer capabilities. During this stage both the internal and external MMI were evaluated. During an EVA an astronaut will remove the launch restraints keeping the ERA in its launch configuration as well as remove the remainder of launch covers. On 28 April 2022, the second of the series of space walks occurred, during which Artemyev and Martveev unstowed the arm from its launch position by releasing actuators enabling the arm's grip, freed additional launch locks, as well as installed handrails to ease working on and around the device. Following this the ERA was extended and commanded to attach to existing interfaces on Nauka, and moved to the forward facing side of the module. During the EVA the arm was controlled by Sergey Korsakov. A third EVA in the series is scheduled to occur in mid May and will be performed by Oleg Artemyev and Samantha Cristoforetti. On June 22, 2022, an attempt to connect to the BTL 3 grapple fixture was successful and perform the base command and control was changed to ERA EE1 from EE2 on BTL 2 fixtures. During this stage EVA's cameras were installed by an astronaut, which are located on the wrist and elbow joint of the ERA. Following the completion of the EVA's needed on the ERA, joint tests were carried out, followed by multiple joint tests. Following the completion of these tests, the ERA was relocated by grappling base points on the surface of the ISS and was checked by being commanded to grapple and relocate the Portable Work Platform. The portable work platform launched with spare elbow joint on MRM 1 in 2010 can attach to the end of the ERA to allow cosmonauts to ride on the end of the arm during spacewalks. Upon completion the ERA was placed in hibernation mode.

Миссияға дайындық және оқу құралдары

Миссияға дайындық және оқу жабдықтары (МПТЭ) – Ұлттық аэроғарыш зертханасы (НЛР) әзірлеген құралдар мен кешендер, олар ғарышкерлер мен операторларды оқытуға, техникалық қызмет көрсетуге көмектеседі, сондай-ақ миссияларды жүзеге асыруға қолданылады. МПТЭ-нің үш бірдей жиынтығы Rocket Space Corporation Energia RSC/E, Халықаралық ғарыш станциясының (ISS) ресейлік миссияны басқару орталығында, Гагарин атындағы космонавттарды даярлау орталығында (GCTC) және Еуропалық ғарыш зерттеу және технология орталығында (ESTEC) орнатылды. Қол мен МПТЭ екеуі де кем дегенде 10 жыл бойы жұмыс істеуге арналған. 2006 жылдың ақпан және наурыз айларында МПТЭ Ресейдегі бірнеше нысандарға жеткізілді. Ұшырудың кешігуіне байланысты компьютерлік жүйелердегі көптеген құрылғылар қызмет ету мерзімін асып кетті. Осының салдарынан, МПТЭ компьютерлерін күтіп ұстау қиын болды, себебі қосалқы бөлшектер қолжетімсіз болып, ескірді. Сонымен қатар, ERA бағдарламалық жасақтамасын күтіп ұстау кешені сол кездегі ең соңғы бағдарламалық жасақтаманы әзірлеу құралдарына толық жаңартылды. ERA симуляторы ERA Simulator Facility сияқты қолды жасауға көмектесу үшін жасалған бұрынғы бағдарламалық жасақтаманы, сондай-ақ EuroSim-нің Бейне жасау кіші жүйесі сияқты қолданыстағы бағдарламалық жасақтаманы қайта пайдалануды қамтиды. Жапондық эксперименттік модульде қосымша қол орнатылған, ол Kibo деп те аталатын қашықтан манипуляциялау жүйесі (JEM RMS) болып табылады. Қол STS-124 миссиясы кезінде станцияға қосылды. Бұл қол Canadarm2 сияқты PDGF тұтқасын пайдаланады, бірақ негізінен JEM Exposed Facility-не қызмет көрсету үшін қолданылады. Барлық ресейлік және еуропалық ғарыш кемелері автоматты түрде доктайтындықтан, ресейлік сегментте ғарыш кемелерін басқару қажеттілігі жоқ, сондықтан ERA-ның Canadarm2 сияқты үлкен болуы немесе ауыр жүктемелерді көтеруі қажет емес. Олардың арасындағы ерекшелік – ERA толық автоматты немесе жартылай автоматты режимде жұмыс істей алады, сондай-ақ станцияның ішінде немесе сыртынан басқарылуы мүмкін. Canadarm2-ні адам басқаруы керек, ол ISS бортындағы ғарышкерлер немесе CSA немесе NASA штаб-пәтеріндегі жердегі команда болсын. ERA Canadarm2-ге қарағанда аз қуатты және кішкентай, өйткені ол ғарыш кемесін станциямен доктайтындықтан қажеттілік туындамайды. Станцияның ROS және USOS арасындағы тұтқалардың өзгешелігіне байланысты, Canadarm2 тек USOS-та, ал ERA тек ROS-та жұмыс істей алады. Екі қол да станциядағы бір нүктеден екінші нүктеге, сондай-ақ бір жағынан екінші жағына жылжи алады және өздігінен орналаса алады. ERA-ның ұзындығы Canadarm2-нің ұзындығынан қысқа. ERA-ның салмағы да 1800 кг-дан (4000 фунт) азырақ. ERA-ның максималды пайдалы жүгінің салмағы, ал Canadarm2-нің максималды пайдалы жүгі 116 000 кг (256 000 фунт) құрайды.

Mission Preparation and Training Equipment (MPTE) are tools and facilities developed by National Aerospace Laboratory NLR, used in the training of astronauts and operators, supporting maintenance, as well as aiding in missions. Three identical versions of the MPTE were installed at Rocket Space Corporation Energia RSC/E, the Russian Mission Control Centre for the ISS, the Gagarin Cosmonaut Training Center (GCTC), as well as the European Space Research and Technology Centre (ESTEC). Both the arm and the MPTE had to be designed to be able to function and operate for a minimum of 10 years. In February and March 2006, the MPTE was delivered to several locations in Russia. Due to the delays in the launch, much of the hardware in the computer systems had surpassed its expected life span. As a result, it had become hard to maintain the computers in the MPTE as spare parts were becoming obsolete, and hard to find. As well the ERA software maintenance facility underwent a complete upgrade to the latest software development tools at the time. The ERA simulator includes the reuse of existing software that was created to aid in the development of the arm itself, such as the ERA Simulator Facility, as well as existing software such as the Image Generation Subsystem of EuroSim. An additional arm is fixed on the Japanese Experiment Module, the Remote Manipulator System (JEM RMS), also known as Kibo. The arm was added to the station during STS 124. The arm uses a similar PDGF grapple fixture to Canadarm2, but is primarily used to service the JEM Exposed Facility. Because all Russian and European spacecraft dock automatically there is no need to manipulate spacecraft on the Russian segment so it is not necessary for ERA to be as large or handle as large of loads as Canadarm2. Where they differ is that the ERA is able to function completely automatically or semi automatically, as well be directed either from inside or outside the station. The Canadarm2 has to be controlled by a human, whether that be by astronauts on board the ISS or be a ground team at the CSA headquarters or NASA The ERA is less powerful and smaller than the Canadarm2 as it is not required to dock spacecraft with the station. Due to the difference between the grapple fixtures between the ROS and the USOS of the station, the Canadarm2 is only able to operate on the USOS while the ERA is only able to operate on the ROS. Both arms are able to move around from point to point, end over end on the station, with them being able to self relocate. The ERA is in length, shorter than the Canadarm2 which is in length. The ERA is also lighter by , with the arm being as opposed to the Canadarm2's 1,800 kg (4,000 lb). The maximum payload mass of the ERA is , as opposed to the Canadarm2's maximum payload mass at 116,000 kg (256,000 lb).