太空機器人能干哪些活?可修理失效航天器,能抓捕他國衛星!

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中國於2016年6月發射的“遨龍一號”太空機器人,能在浩瀚太空執行哪些任務?美國媒體與中國官方的說法截然不同。美國媒體稱,“遨龍一號”有潛在軍事用途,它可用機械臂“活捉”敵方衛星;中國官方則強調,“遨龍一號”沒有軍事用途,它只是一台用於清除太空垃圾的環衛機器人。

作者:楚人陳奇雄

太空機器人,像所有機器人一樣,只是一種工具。進入太空時代後不久,人類就開始了太空機器人的研製工作。

人類研製太空機器人初心,是想讓它協助或代替宇航員,在強輻射、高真空、微重力、極冷或極熱的惡劣太空環境中,從事危險與高難度的太空作業任務。讓太空機器人執行諸如抓捕敵方衛星、破壞敵方空間站之類的任務,則只是太空機器人用途的自然擴展。

實話實說,在太空機器人研製方面,中國起步要比美俄歐日等傳統航天強國要晚,但中國進步很快。我們必須承認的是,美國是當仁不讓的太空機器人研製第一大國與強國;俄加德日英,則處於太空機器人研製第二梯隊;中國在太空機器人研製方面,與美俄歐相比,尚有一定差距。

(下為太空機械臂協助宇航員作業場面)

太空機器人,到底是一種什麼樣的機器呢?中國武漢華中科技大學材料科學與工程學院的陳鬆威,在其撰寫的《空間機器人的研究現狀和發展趨勢》論文中指出,太空機器人,又叫空間機器人,它既可以代替人類宇航員進行長時間、危險的艙外作業,也可以作為宇航員的工具,協助宇航員完成高精度、高可靠度的操作任務。太空機器人在美歐日等國的太空探索活動中,已經獲得廣泛應用。

按照用途不同,太空機器人可以分為艙內/艙外服務機器人、自由飛行機器人和星球探測機器人三大類。

艙內太空機器人,是一種航天器艙內使用的機器人,它主要被用來協助航天員進行艙內科學實驗以及執行對航天器維護任務,中國的“神舟-11”號飛船上,就裝備有艙內太空機器人;艙外服務機器人主要執行衛星維修、空間裝配、空間加工和科學實驗等任務,美國已退役的航天飛機、正在運行的國際空間站上,就配裝有艙外服務機器人,這些艙外服務機器人,可以由航天飛機內或空間站內的宇航員遙控操作,執行種類繁多的任務。

在艙外太空服務機器人研製方面,水平最高的不是美國,而是加拿大。美國航天飛機與國際間站上,都配裝有由加拿大研製的艙外服務太空機器人。

(下為太空機械臂工作場景)

加拿大研製的航天飛機操作臂系統,是空間機器人概念產生以來,第一款被成功應用於太空作業的機械臂系統,於1981年投入使用,是為美國航天飛機研製的配套產品。它可以由計算機生成的程序自動控製,也可由航天飛機上的宇航員在艙內進行手動操作。該機械臂主要從事發射與回收衛星、組裝國際空間站、向接受維修的航天器傳送部件等工作。2005年,在該機械臂協助下,美國“發現者號”航天飛機的宇航員,在太空成功完成了對“發現號”航天飛機熱防護系統的維修工作。 該機械臂全長15.2 米,質量410 公斤,擁有六個自由度。在空載情況下,它的最大移動速度可達每秒60厘米。其臂杆采用高強度、低密度碳纖維材料製成。

空間站移動服務系統太空機器人,是加拿大耗資10億美元,花費10年時間研製成功的另一型艙外服務太空機器人。它由三部分組成:一是長17 米的7自由度機械臂系統;二是專用機械臂末端靈巧機械手;三是移動平台系統。在遙控操作方式下,它可以在軌道上移動空間站的外圍設備,可以在艙外行走,也可以進行裝配和維修工作。安裝在機械臂末端的靈巧機械手,能完成一些特別複雜的操作任務,如給接受維修服務的對象擰緊螺絲、接好管道、聯上電線等。2001年4月,裝備在國際空站上的該型艙外服務機器人,將一個1噸多重的包裝箱,傳遞給美國“奮進者號”航天飛機上的機械臂。這是有史以來,兩個航天器所用太空機器人的機械臂,首次在太空中成功“握手”。

(下為宇航員維修“哈勃”太空望遠鏡場面)

在太空機器人研製方面,德國也實力不弱。德國研製的艙內與艙外服務太空機器人,以智能化程度高、動作靈活、可在窄小空間內進行精細作業而著稱。

如德國宇航中心研製的小型空間機器人系統ROTEX,是世界上第一個實現地面遙控操作的艙內空間機器人系統。ROTEX機器人裝有六自由度機械臂,可在1立方米小的空間內進行精細作業,其機械臂末端裝有剛性和柔性六維力/力矩傳感器,還裝有觸覺傳感器、激光測距傳感器和微型立體攝像機等多種類型的傳感器。 該機器人可執行空間物體裝配、連接或斷開電氣插頭和抓握自由漂浮物等任務。

德國宇航中心在1997年,於世界上最早提出了機器人宇航員概念。機器人宇航員,本質上是一種艙外服務機器人,但它比遙控操作的太空機械臂具有更高智能,具有更強自主作業能力。

德國宇航中心開發的第三代機器人宇航員,采用全模塊化思想設計。它是一款有兩隻手臂、兩個多指靈巧手、一對攝像機組“眼睛”與多種傳感器的“機器人”,它搭載在機動能力很強的“救援衛星”上,可執行接近、捕獲和維修故障衛星任務。

我們知道,有時候,衛星被發射進入軌道後,會發生太陽能電池板不能自動打開故障或其它故障,而衛星所在軌道,往往是載人航天飛機無法到達的高軌道,也就是說,不可能派航天飛機攜載人類宇航員去維修故障衛星。在這種情況下,德國宇航中心就提出要建造一種可在太空對“故障衛星”進行維修作業的“救援衛星”,“救援衛星”的機動能力很強,可以追上“故障衛星”,並用其所帶機器人宇航員,對“故障衛星”進行維修保養。

(下為太空機器人傳送零部件給人類宇航員場景)

在太空機器人研製方面,美國實力最為雄厚,取得的成果也最豐碩。1993年,美國宇航局啟動了空間機器人大型研究項目。1999年,美國宇航局研製出仿人型機器人宇航員Robonaut,它的靈巧手具有與人手相近的抓取力。Robonaut的熱承受能力、在惡劣環間中的持續作業能力,遠遠超過人類宇航員;它的手臂擁有7個自由度,其運動範圍,超過人類手臂。它能夠熟練使用大部分的艙外作業工具單獨作業,也可以和人類宇航員協同工作。更重要的是,人類操作者隻需戴上頭盔、數據手套和跟蹤器,就可在航天飛機艙內甚至在地面控製站中,對Robonaut進行遠程遙控操作。

美國國防高級研究計劃局研製的“軌道快車”太空機器人,則是一款可自由飛行的太空機器人。它可以執行為在軌衛星提供燃料補充、更新電氣設備和蓄電池等服務。“軌道快車”由三部分組成:一是可以作長時間大機動飛行的衛星基座;二是智能機械臂;三是對接機構。其中,衛星基座是美國貨;智能機械臂是加拿大產品;對接機構是標準貨架產品。衛星基座負責發現與追蹤目標衛星;機械臂執行將目標衛星“抓捕”、“綁住”任務,並完成對目標衛星的維修工作,如將目標衛星上的失效零部件拆下,並將新的零部件換上去;對接機構擁有標準接口,可在機械臂幫助下,與目標衛星的相應機構對接,並負責將“軌道快車”與目標衛星聯接在一起,以方便機械臂對目標衛星進行維修作業。

(下為星球機器人探測火星場面)

2007年3月,美國將“軌道快車”太空機器人與目標衛星,發射到軌道上進行測試。在測試中,“軌道快車”首先飛行到離目標衛星僅10到20厘米距離;接著,“軌道快車”上的機械臂溫柔地捕獲了目標衛星,並將目標衛星拉到“軌道快車”身邊;然後,軌道快車上的對接機構與目標衛星上的相應對接裝置進行連接;“軌道快車”與目標衛星鎖到一起後,機械臂則開始給目標衛星更換零部件,並打開管道給目標衛星補充燃料。

理論上,美國的“軌道快車”太空機器人,既可給己方衛星提供維修服務,也能“抓捕”或“摧毀”他國衛星。

日本是一個野心很大的國家,他們在發展太空機器人方面,也是不遺餘力。早在1997年11月,日本就發射了“工程實驗7號”衛星,以進行空間機器人技術研究。“工程實驗7號”衛星,是日本發射的第一個遙控式自由飛行空間機器人,它的機械臂長約2米,重150公斤,擁有6個自由度。它能執行空間維修、空間裝配等任務。

英國軌道修複公司與荷蘭航天局合作,正在研製一款名為“在軌衛星修複系統”的空間機器人,用以延長在軌大型通信衛星的壽命。這款空間機器人的最大特點是,它可抓捕遠在3.6萬公里高地球同步靜止軌道上的通信衛星,並執行諸如給通信衛星更換太陽能電池帆板、給通信衛星補充燃料、更換機電單元等任務,可以使通信衛星的壽命延長10年或更多。通訊衛星的壽命每延長一年,可創造的新價值約5千萬美元。其壽命延長10年的話,就意味著可創造新價值5億美元。

在星球探測機器人研製方面,美俄已成功發射多種類型的星球探測機器人,如探月、探火星、探小行星機器人;日本與印度,也發射了自己的星球探測機器人;中國正在迎頭趕上。中國發射的“嫦娥”系列探月機器人,屬於整體技術達國際先進水平的星球探測機器人。因星球探測機器人不是我們今天討論的重點,所以我們就在此打住。

(下為中國研製的探月機器人工作情景)

航天專家認為,在太空探索活動中,太空機器人的作用越來越重要。過去只能由人類宇航員親自進行的很多苦活、累活、髒活、危險活,將更多地由遙控操作、半自主操作、甚至完全自主操作的太空機器人來干。隨著微電子技術、光學技術、傳感器技術、微機電技術、人工智能技術的發展,太空機器人的視、聽、觸、壓、味等感覺越來越靈敏,其動作的準確性越來越高、其手臂力量的變化範圍越來越大……它可執行的任務種類,也越來越多。

也許,下一代太空機器人,是太空醫生與維修工人,它可上天執行維修航天器任務,如通過給失效的衛星、太空望遠鏡、空間站更換部件,讓其起死回生,重新工作;下一代太空機器人,也是太空獵人與馴龍高手,它可進入太空,“生擒活捉”別國衛星,並對別國衛星進行改造,讓別國衛星為己方服務。

(本文為原創作品。本文作者“楚人陳奇雄”先生,是武漢某報資深記者、軍事版編輯、科技史愛好者。)

特別聲明與鳴謝:本文所有配圖,都來自網絡,特在此向這些圖片的提供商與拍攝者,表示最真誠的感謝;本文所有數據,均來自中國知網、《兵器知識》、新華網、人民網、央視網、龍源期刊網等地方,特向這些數據提供者表示最誠摯的謝意。

(下為太空機器人使用的靈巧機械手)



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