Европейский роботизированный манипулятор на российском сегменте МКС

Введение

Роботизированный манипулятор, установленный на российском сегменте МКС

Европейский роботизированный манипулятор (ERA) – это роботизированная рука, прикрепленная к российскому орбитальному сегменту (ROS) Международной космической станции. Запущен к МКС в июле 2021 года; это первый роботизированный манипулятор, способный работать на российском сегменте станции. Манипулятор дополняет два российских грузовых манипулятора "Стрела", которые первоначально были установлены на модуле "Пирс", но позднее были перемещены в стыковочный отсек модуля "Поиск" и модуль "Заря". ERA была разработана для Европейского космического агентства (ESA) рядом европейских космических компаний. Airbus Defence and Space Netherlands (ранее Dutch Space) спроектировала и собрала манипулятор и являлась главным подрядчиком; компания работала совместно с субподрядчиками в 8 странах. В 2010 году был заблаговременно запущен запасной локтевой узел для манипулятора и переносное рабочее место ERA, прикрепленные к модулю "Рассвет" или Мини-исследовательскому модулю 1 (MRM 1). Модули "Наука" и "Причал" служат базой для ERA; изначально планировалось установить манипулятор на отмененный российский исследовательский модуль, а затем на также отмененную платформу Science Power.

Технические характеристики

Европейская роботизированная рука состоит из двух симметричных секций, называемых "плечами", которые в основном изготовлены из углепластика и имеют длину около 5 м (16 футов). На каждом конце руки расположены идентичные захватные механизмы, называемые концевыми эффекторами (EES), которые рука использует для удержания на станции, захвата грузов и помощи при работе в открытом космосе. В среднем рука потребляет 475 ватт энергии во время работы, при пиковом потреблении 800 ватт. В режиме ожидания потребление составляет 420 ватт, а в режиме гибернации – 250 ватт. Основной центральный процессор (CPU) руки ERA расположен в подсистеме RISC блока ECC. Основной процессор – ERC32, разработанный Temic, с тактовой частотой 10 МГц, адресованный 1,5 мегабайта (Мб) памяти и 32 килобайта (Кб) ROM. Управлять рукой можно как с борта станции, так и с Земли.

Контроль EVA

Управление извне космической станции осуществляется с помощью специально разработанного интерфейса, которым можно управлять в скафандре, известного как интерфейс «человек-машина» для работы в открытом космосе (EVA MMI или EMMI). EVA MMI оснащен 16 светодиодными дисплеями по восемь символов каждый, отображающими основную информацию о состоянии, данные подтверждения команд, а также сообщения об аварийных ситуациях и предупреждения. Он также обеспечивает резервирование критически важных данных о состоянии за счет дублирующих светодиодов. После решения об отмене программы Hermes, в 1992 году ESA и Российское космическое агентство договорились использовать технологию HERA для обслуживания космической станции «Мир-2». Впоследствии название было изменено на Европейский роботизированный манипулятор (ERA). Именно тогда к конструкции манипулятора был добавлен бортовой компьютер, а также были разработаны две новые операторские консоли – одна для космонавта, работающего в открытом космосе, и одна для космонавта, находящегося внутри станции. После отмены исследовательского модуля ERA был перенесен на Российскую научную энергетическую платформу, которая должна была стать базой для работы манипулятора. Его первой задачей после перемещения в место хранения должна была стать установка части системы солнечных батарей. В 1997 году, с переходом на запуски с помощью шаттлов, в конструкцию ERA было внесено два основных изменения. Во-первых, узлы были модифицированы для обеспечения возможности запуска на космическом шаттле. Во-вторых, бортовые компьютеры ERA были переведены на систему управления данными ESA. В том же году началась оценка и пересмотр интерфейсов «человек-машина» для ERA. Участие астронавтов и космонавтов МКС вместе с экспертами привело к ряду улучшений конструкции. Производство и испытания инженерных моделей ERA также начались в 1997 году. Модель электрического интерфейса была отправлена в Россию для проверки электрических соединений между системами ERA и элементами российского сегмента МКС. Подготовка инструкторов была завершена в 2005 году, в рамках которой в ESTEC было проведено два учебных курса, а девять российских инструкторов получили сертификаты в следующем году после прохождения курса повышения квалификации в июне 2006 года. В феврале и марте 2006 года в Россию было доставлено оборудование для подготовки к миссии и обучения работе с Европейским роботизированным манипулятором, которое будет использоваться для обучения использованию манипулятора, а также для подготовки к его запуску и эксплуатации. Оборудование также было доставлено в Российский центр управления полетами МКС и будет использоваться для мониторинга миссии. Из-за технических проблем запуск был перенесен с 2007 на 2012 год. В 2010 году космический шаттл «Атлантис» доставил на станцию модуль «Рассвет» (Мини-исследовательский модуль 1) в рамках миссии STS-132 (в соответствии с соглашением с NASA), который включал в себя запасной локтевой узел с двумя звеньями, позволяющий манипулятору самостоятельно ремонтироваться на орбите, и передвижную рабочую платформу для ERA, которая будет использоваться во время работ в открытом космосе. Дальнейшие задержки привели к переносу запуска ERA на 2014 год. Из-за проблем в разработке модуля МЛМ запуск был отложен, и он мог состояться не ранее конца 2015 года. Последующие проблемы с модулем «Наука» привели к дальнейшим переносам запуска, вплоть до января 2021 года. Из-за опасений, связанных с новым коронавирусом, работы над ракетой-носителем «Протон» и модулем «Наука» были отложены, что привело к переносу запуска на май 2021 года. В мае 2020 года ERA был отправлен на Байконур для окончательной обработки. 20 мая 2021 года манипулятор был прикреплен к корпусу модуля «Наука». Запуск ERA состоялся 21 июля 2021 года на ракете-носителе «Протон» вместе с модулем «Наука» – через 20 лет после первоначально запланированного запуска и 35 лет после начала его разработки. Он успешно состыковался и был пристыкован к станции 29 июля 2021 года в 13:29 UTC.

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.

Конфигурация запуска

Во время запуска ERA находился в стартовой позиции на модуле "Наука", именуемой конфигурацией "Чарли Чаплин". Во время запуска оба концевых эффектора были зафиксированы на специальной базовой точке, каждый из которых выполнял функцию системы подвески нагрузки. Манипулятор также был прикреплен к "Науке" посредством шести механизмов фиксации, предназначенных для запуска. Каждый механизм состоял из одного или двух крюков, которые крепили ERA к посадочному месту. В ходе будущих выходов в открытый космос эти крюки будут освобождены, что позволит ERA начать подготовку к работе. Эти точки крепления расположены в области локтевого сустава, на электронных блоках запястья и в узлах поворота.

Операции по проверке ERA и развертывание

Сборка и валидация европейского роботизированного манипулятора будут проводиться в пять различных этапов. Первый этап состоял в подключении и тестировании ERA и его интерфейсов управления, а также в проведении первоначальной проверки манипулятора. Это было выполнено 22 сентября 2021 года, когда астронавт ESA и инженер полетов Томас Песке работал с космонавтом Роскосмоса и инженером полетов Петром Дубровым на модуле «Наука» для настройки аппаратного и программного обеспечения контроллера ERA. В ходе тестирования ноутбука ERA, внешней панели управления и российского компьютера управления было подтверждено, что они функционируют исправно и могут взаимодействовать друг с другом, однако первоначальные тесты выявили сбои в передаче данных между модулями «Звезда» и «Наука», что может привести к задержкам в развертывании ERA. Успешно протестированы каналы связи между МКС, российским Центром управления полетами и Европейским центром поддержки роботизированного манипулятора в Нидерландах. Первоначальные проверки также включали валидацию внешнего интерфейса «человек-машина» и проверку возможности корректной связи ERA при подключении к базовой точке, расположенной на внешней поверхности МКС. Для валидации интерфейса «человек-машина» потребовался выход в открытый космос. Второй этап включал установку и валидацию возможностей перемещения ERA. На этом этапе оценивались как внутренние, так и внешние показатели интерфейса «человек-машина». Во время выхода в открытый космос астронавт снимет пусковые ограничители, удерживающие ERA в конфигурации для запуска, а также демонтирует остатки пусковых кожухов. 28 апреля 2022 года состоялся второй выход в открытый космос в рамках серии, во время которого Артемьев и Мартвеев извлекли манипулятор из транспортного положения, освободив приводы, обеспечивающие захват, освободили дополнительные пусковые блокировки и установили поручни для облегчения работы на устройстве и вокруг него. После этого ERA был выдвинут и получил команду подключиться к существующим интерфейсам на модуле «Наука», переместившись на переднюю часть модуля. Во время выхода в открытый космос управлением манипулятором осуществлял Сергей Корсаков. Третий выход в открытый космос в рамках серии запланирован на середину мая и будет выполнен Олегом Артемьевым и Самантой Кристофоретти. 22 июня 2022 года была успешно предпринята попытка подключения к захватному устройству BTL 3, и управление и команда были переключены с ERA EE2 на BTL 2 на ERA EE1. На этом этапе астронавтом были установлены камеры для выхода в открытый космос, расположенные на запястье и локтевом суставе ERA. После завершения необходимых работ по ERA были проведены совместные испытания, за которыми последовала серия испытаний отдельных узлов. По завершении этих испытаний ERA был перемещен путем захвата базовых точек на поверхности МКС и проверен посредством команды захвата и перемещения портативной рабочей платформы. Портативная рабочая платформа, запущенная с запасным локтевым суставом на MRM 1 в 2010 году, может крепиться к концу ERA, позволяя космонавтам перемещаться на конце манипулятора во время выходов в открытый космос. По завершении работ ERA был переведен в режим ожидания.

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.

Подготовка к миссии и обучающее оборудование

Оборудование для подготовки и тренировки к полетам (MPTE) – это инструменты и комплексы, разработанные Национальной аэрокосмической лабораторией NLR, используемые для подготовки астронавтов и операторов, поддержки технического обслуживания и помощи в выполнении миссий. Три идентичные версии MPTE были установлены в Ракетно-космической корпорации «Энергия» (РКК «Энергия»), в Российском центре управления полетами (РЦУП) для МКС, в Центре подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина (ЦПК) и в Европейском центре космических исследований и технологий (ESTEC). Как манипулятор, так и MPTE должны были быть спроектированы для функционирования и эксплуатации в течение минимум 10 лет. В феврале и марте 2006 года MPTE был доставлен в несколько мест в России. Из-за задержек с запуском значительная часть аппаратного обеспечения в компьютерных системах превысила расчетный срок службы. В результате стало сложно поддерживать компьютеры в MPTE в рабочем состоянии, поскольку запасные части устаревали и их было трудно найти. Кроме того, центр обслуживания программного обеспечения ERA был полностью модернизирован с использованием новейших на тот момент инструментов разработки программного обеспечения. Симулятор ERA включает повторное использование существующего программного обеспечения, созданного для помощи в разработке самого манипулятора, например, ERA Simulator Facility, а также существующего программного обеспечения, такого как подсистема генерации изображений EuroSim. Дополнительный манипулятор установлен на Японском экспериментальном модуле, системе дистанционного управления (JEM RMS), также известной как Kibo. Манипулятор был добавлен к станции во время миссии STS-124. Манипулятор использует аналогичный захватный узел PDGF, как у Canadarm2, но в основном предназначен для обслуживания открытой экспериментальной платформы JEM. Поскольку все российские и европейские космические аппараты стыкуются автоматически, нет необходимости манипулировать космическими аппаратами на российском сегменте, поэтому ERA не требуется быть таким же большим или справляться с такими же большими нагрузками, как Canadarm2. Отличие заключается в том, что ERA может функционировать полностью автоматически или полуавтоматически, а также управляться как изнутри, так и снаружи станции. Canadarm2 требует управления человеком, будь то астронавты на борту МКС или наземная команда в штаб-квартире CSA или NASA. ERA менее мощный и меньше, чем Canadarm2, поскольку не предназначен для стыковки космических аппаратов со станцией. Из-за различий в захватных узлах между российским (ROS) и американским (USOS) сегментами станции, Canadarm2 может работать только на USOS, а ERA – только на ROS. Оба манипулятора могут перемещаться из точки в точку, переворачиваясь на станции, и способны к самоперемещению. ERA имеет длину, что короче, чем длина Canadarm2. ERA также легче на, а его масса составляет, в отличие от 1800 кг (4000 фунтов) у Canadarm2. Максимальная масса полезной нагрузки ERA составляет, в то время как максимальная масса полезной нагрузки Canadarm2 составляет 116 000 кг (256 000 фунтов).

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).