3 月 6 日消息，當太空中的衛(wèi)星部件損壞或燃料耗盡時，往往意味著其使用壽命也將終結(jié)。為了賦予衛(wèi)星更長的使用時間，美國宇航局（NASA）提出潛在解決方案，即派軌道機器人前往維修或加注燃料。

在過去的 20 多年時間里，美國陸地衛(wèi)星 7 號 (LANDSAT-7) 每 99 分鐘會繞地球飛行一圈，每 16 天會抓拍一次幾乎所有地球表面的圖像。作為觀測地球變化的眾多飛行器之一，它揭示了格陵蘭島冰川融化、墨西哥對蝦養(yǎng)殖場的擴張以及巴布亞新幾內(nèi)亞森林砍伐的情況。但在陸地衛(wèi)星 7 號燃料耗盡后，它的使用壽命也將結(jié)束，因為目前還沒有辦法在太空中為其添加燃料。

不過，NASA 對此提出了潛在方案。幾年后，該機構(gòu)計劃將向太空發(fā)射軌道機器人，并操縱其進入陸地衛(wèi)星 7 號的抓取范圍內(nèi)。這個機器人將使用機械臂抓住衛(wèi)星，在太空中為其加注燃料。如果成功，這次任務(wù)將標志著一個新里程碑，即首次在太空中為衛(wèi)星添加燃料。這項任務(wù)只是眾多計劃之一，這些計劃打算使用機器人來修復(fù)和改進軌道上價值數(shù)十億美元的衛(wèi)星。

最終，這樣的努力可能會帶來更好、更便宜的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星可以降低互聯(lián)網(wǎng)和手機網(wǎng)絡(luò)的成本，提供更好的天氣預(yù)報，并提供前所未有的地球和宇宙變化視角。它們甚至可能掀起新一輪在軌建設(shè)浪潮，使用機器人大軍建造衛(wèi)星、空間站，甚至是前往火星的宇宙飛船。

賦予衛(wèi)星更長壽命

目前，軌道上大約有 4852 顆正在運行的衛(wèi)星，在通信、遙感和其他任務(wù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但所有人都知道，如果這些衛(wèi)星損壞，現(xiàn)在幾乎沒有辦法修復(fù)它們。同時，大多數(shù)衛(wèi)星偶爾也需要燃料來調(diào)整軌道。當燃料耗盡時，它們就可能成為太空垃圾，進一步增加環(huán)繞地球的大量碎片流數(shù)量。

太空服務(wù)行業(yè)組織 Concers 負責人布萊恩?維登 (Brian Weeden) 說：“想象一下，你明天要去買一輛車。但你必須記住，永遠不可能再為其加注更多汽油，永遠不能更換機油，也無法維護或修復(fù)任何東西。而在接下來的 10 年里，你還必須使用它。現(xiàn)在，你認為這輛車會有多貴，有多復(fù)雜？這與我們使用衛(wèi)星的情況相似?！?/p>

為了讓衛(wèi)星盡可能長時間地工作，工程師們建造了所謂的冗余系統(tǒng)，并盡可能多地加注燃料，但所有這些努力都增加了制造和發(fā)射衛(wèi)星的成本。到目前為止，幾乎所有在太空中進行的制造和修復(fù)都要依賴宇航員，包括哈勃太空望遠鏡的修復(fù)和國際空間站的建設(shè)。但將人類送入太空的成本非常高昂，因此近年來開發(fā)機器人來完成這項工作的努力日益受到關(guān)注。

美國海軍研究實驗室機器人和機器學習部門負責人卡爾?格倫?亨肖 (Carl Glen Henshaw) 表示：“我們真正想做的是，在太空中部署機器人機械師，當衛(wèi)星發(fā)生故障時對其進行維修?！?/p>

機器人救援面臨諸多挑戰(zhàn)

在過去的幾十年里，研究人員在實現(xiàn)這個目標方面取得了很大進展。在 2007 年 NASA 的一個示范項目中，兩個專門建造的飛行器就駐留在軌道上并進行燃料轉(zhuǎn)移。最近，在 2020 年，航空航天企業(yè)諾斯羅普?格魯曼公司成功地發(fā)射了兩個“任務(wù)延伸飛行器”，它們配備有發(fā)動機和燃料，附著在兩顆商業(yè)衛(wèi)星上，并將后者推入了新的軌道。

預(yù)計在未來十年內(nèi)，將啟動的兩項新任務(wù)有望使在軌維修工作更上一層樓。示范項目將使用配備機械臂的半自動機器人為在軌衛(wèi)星補充燃料，甚至進行簡單的維修。

亨肖正在研究地球同步衛(wèi)星的機器人維護服務(wù)，這是美國國防高級研究計劃局 (DARPA) 資助的項目。如果定于 2024 年進行的演示任務(wù)成功，這將標志著機器人飛行器首次成功捕獲沒有專門設(shè)計卻能與之對接的衛(wèi)星。亨肖及其同事最近在“控制、機器人和自主系統(tǒng)年度評論”中探討了使用太空機器人維修衛(wèi)星所面臨的挑戰(zhàn)。

這樣的挑戰(zhàn)很多，由于現(xiàn)有的衛(wèi)星從來沒有想過進行維修，因此它們?nèi)狈Ρ环Q為基準的標記，這將使機器人不太容易對移動的衛(wèi)星進行視覺定位。同時，衛(wèi)星也沒有專門為機器人設(shè)計的抓取裝置，而衛(wèi)星上突出的部分往往太脆弱而無法抓取，如天線和太陽能電池板。

另一個問題是機器人和地球控制團隊之間通信的時間延遲。對于在約 3.5 萬公里高空的地球同步軌道上運行的機器人來說，距離和信號處理在機器人與地球上的控制器之間造成了幾秒鐘的通信延遲，因此機器人將需要自主處理最關(guān)鍵的任務(wù)。不過幸運的是，這項工作可以建立在太空中現(xiàn)有的機械臂上，包括國際空間站目前正在使用的兩個機械臂。

在一次演示任務(wù)中，亨肖及其工程師同事計劃從數(shù)千顆老舊的、不再活躍的衛(wèi)星中選擇一顆，這些衛(wèi)星依然“駐泊”在偏僻的軌道上。機器人將使用攝像頭和激光測距儀將其機器人與衛(wèi)星相匹配，并機動到衛(wèi)星大約 2 米范圍內(nèi)。當足夠近的時候，機器人會用兩只機械臂中的一只抓住之前將衛(wèi)星固定在運載火箭上的鋁環(huán)。

同時，另一只機械臂將負責檢測未能正確展開的太陽能電池板或天線，這樣的問題每兩到三年就會發(fā)生一次。此外，這只機械臂還能將新的儀器連接到衛(wèi)星的外部，例如更強大的發(fā)射器、攝像頭或天線。

NASA 的雄心

在 2025 年之后的某個時候，NASA 計劃發(fā)射更加雄心勃勃的機器人，名為在軌維修、組裝和制造 1 號 (OSAM-1) 機器人，它將首先負責為現(xiàn)有衛(wèi)星添加燃料。然后，OSAM-1 將演示是否可以在太空中建造全新的結(jié)構(gòu)。

陸地衛(wèi)星 7 號將是 OSAM-1 的首個加油任務(wù)。這顆衛(wèi)星于 1999 年由美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)射，進入約 700 公里高的近地軌道，其工作已被更先進的衛(wèi)星接管，但它為科學家提供了測試機器人在軌加油的機會。NASA 的 OSAM-1 項目經(jīng)理布倫特?羅伯遜 (Brent Robertson) 說：“20 多年前，技術(shù)人員通常在準備發(fā)射前為衛(wèi)星添加燃料，他們從未想過再次為其加油。”

羅伯遜說，OSAM-1 將使用機械臂切斷絕緣層，剪斷兩根電線，擰下螺栓，然后連接軟管并注入 115 公斤燃料。雖然維修現(xiàn)有衛(wèi)星是機器人最直接的目標，但從長遠來看，在軌組裝和制造衛(wèi)星可能更重要。例如，OSAM-1 有一項額外的任務(wù)，它將搭載名為 SPIDER 的單獨機器人，旨在展示在太空中組裝東西的能力。SPIDER 的第一個任務(wù)將是組裝 7 件式 3 米長的天線，并將其送入軌道。

使用與 3D 打印類似的工藝，OSAM-1 還將證明其可以從頭開始制造結(jié)構(gòu)部件，用碳纖維卷軸和其他紡織品制造出堅固而輕便的復(fù)合梁。像這樣的部件可以連接起來，形成衛(wèi)星或其他軌道結(jié)構(gòu)必需的結(jié)構(gòu)組件。

如果目前正在規(guī)劃的任務(wù)成功，機器人技術(shù)可能會開啟一個太空建設(shè)新紀元，幫助建設(shè)更寬敞的太空旅游空間站、太空燃料庫，并支持太空采礦作業(yè)，甚至是在軌道上制造前往火星的飛船。羅伯遜說：“我們想證明，我們可以制造這些東西，盡管以前沒有人做到過。如果你有能力在太空中組裝東西，就可以自帶材料，或者讓人把材料發(fā)給你，以組建更大的人造物體?！?/p>

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