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空间机器人:太空领域“多面手”


来源:解放军报

2016-01-28 09:50



专家小传:杨乐平,国防科技大学太空安全战略研究中心常务副主任、博士生导师,国家863计划专家,长期从事太空安全战略、新概念航天器、在轨服务技术等方面的研究与教学工作,获军队科技进步一等奖等多项奖励。





    视点提要

    太空具有微重力、高真空、强辐射等特点,其恶劣环境使人在太空中的活动风险极高。于是,科学家们开始探索用空间机器人代替宇航员工作,完成抓捕、释放、装配、加注、维修、巡视、采样等多种作业任务,如美国航天飞机上的大型空间机械臂、“轨道快车”计划中的空间机器人等,它们可协助宇航员对航天器进行在轨维修、加注等服务;美俄等航天大国研制发射的“月球车”和“火星车”则可以在天体表面行走,对天体实施观测、采样等探测活动。随着机器人技术的发展,大量空间机器人应运而生,在太空领域发挥着日益重要的作用。

    可让成本昂贵的卫星重复使用

    自从人造卫星上天以来,维修保障困难、生存能力弱,一直是制约卫星发展与运行的“短板”。由于无法实施在轨燃料加注,一旦燃料耗尽,卫星就难以维持正常运行的轨道与姿态,成本昂贵的卫星就意味着寿终正寝。

    由于上述这些因素,卫星成了“一次性使用”的奢侈品,不仅其研制与发射费用居高不下,过分追求可靠性也使得新技术的应用发展缓慢。同时,一些大型复杂航天器发射对运载火箭提出了更高要求,也需要通过在轨装配降低航天发射技术难度与成本。

    人类实现载人航天飞行后,科学家试图通过宇航员进行卫星在轨维修、加注服务。1984年,美国宇航员完成了一颗故障卫星的修理,但成本高、风险大,使得有人在轨服务难以推广应用。2007年,美国首次利用空间机器人进行卫星在轨加注和模块更换试验,使太空无人自主在轨服务技术取得重大突破。

    2011年12月,美国又提出“凤凰计划”,其目标是发展具有精细操控能力的多臂空间机器人,以实现地球静止轨道废弃通信卫星的回收利用。随着在轨服务技术的成熟与广泛应用,未来航天将形成“制造-发射-运行-维护-更换”新的商业模式,大大拓展人类太空活动的价值空间。

    代替宇航员探寻天体奥秘

    美国在上世纪60年代就将宇航员送上月球,实现了对月球的科学探测、取样等科学活动。但由于受到高昂成本和人的生理限制,宇航员无法长时间在月球停留。事实上,自美国“阿波罗”载人登月计划结束后,宇航员再未在月球等天体留下足迹,空间机器人成为代替宇航员开展天体深空探测的好帮手。

    利用空间机器人进行深空探测不受人体生理限制,不需要复杂的环境与生命保障系统,风险系数小,成本相对低廉。前苏联于1970年11月发射了世界上第一个着陆到月球的天体表面运动机器人——“月球车”一号,开启了空间机器人深空探测的先河。

    1997年7月,美国发射的首台火星表面运动机器人“索杰纳号”在火星上工作了3个月,发回数以千计的图像,让人们第一次对火星表面及天气情况有了全面了解。此后,“勇气号”“机遇号”“好奇号”空间机器人又陆续登陆火星,通过钻探获取了火星岩石样品及分析结果。2014年11月,欧洲“罗塞塔号”彗星探测器经过长达10年、总长超过64亿公里的太空飞行,首次在一颗彗星上登陆,为人类了解太阳系生命起源提供了新的观测手段。

    空间机器人凭借在空间环境适应性和重量成本方面的突出优势,已经成为人类深空探测的“主力军”,其独特作用和广阔发展前景将成为未来深空探测新的制高点。

    争夺“制天权”的先遣特战队

    正如飞机出现之初在军事上最先应用于侦察,后来逐步发展出战斗机、运输机、加油机一样,随着空间机器人在太空广泛应用,未来也有可能发展形成专门的太空“战斗机”“加油机”等新装备。西方发达国家正利用空间机器人具备“察打一体、攻防兼备”的特点,将其发展为争夺“制天权”的先遣特战队,以抢占太空军事竞争制高点。

    当前,西方军事强国为保持军事竞争优势,试图通过空间机器人充当“侦察兵”,近距离接近目标航天器,对目标航天器进行持续与详细的侦察监视,利用其搭载的机械手、飞网、飞爪等载荷,开展对目标航天器喷涂致盲物质、实施信号干扰,甚至直接捕获目标航天器等行动。同时,着力打造太空作战平台,建立天基对抗系统,将空间机器人发展成类似地面战场的特战队,使其具有“短兵相接”的作战功能。近年来,美国以在轨服务为掩护,加快发展“轨道快车”“凤凰计划”等多种空间机器人,可以说很大程度上是在为太空战做准备。

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