太空机器人的设计及未来发展介绍

国际空间站（ISS）作为人类太空探索的轨道前哨基地，是诸多太空飞行器运送载荷及航天员的往返节点，具有高度适应性和动态配置，是一个多任务、多用途的实体，可提供电力支持、轨道维护、姿态控制、空间环境保护、通信及其他服务。空间站的系统要求和运行限制旨在维护人类生命和安全，但事实证明，无人操作的机器人空间站（RSS）也具有巨大的实用性。RSS可作为ISS使用寿命结束后的替补，继续为ISS目前进行的许多有价值的服务和实验提供支持，为科学和工程应用开发新能力，节省实验和仪器载荷寄宿在空间站所需的资金，证实人类未来行星探测所需的技术，并为私营部门参与者提供创收应用。

一、太空机器人服务项目

①已在地球轨道成功运行的机器人系统包括：

新一代空间站遥控机械臂系统（“加拿大太空机械臂-2”）、日本工程试验卫星（ETS-VII）、DARPA的“轨道快车”演示任务，德国航空航天中心（DLR）的 “罗克韦斯”（ROKVISS）机器人实验以及日本的“实验舱机械手系统”（JEMRMS）。

②“地球同步轨道卫星机器人服务”（RSGS）

DARPA和劳拉太空系统公司（SSL）联合开展的“地球同步轨道卫星机器人服务”（RSGS）将成为首个在地球轨道上运行的商业机器人系统，拟于2021年发射，旨在进一步成熟化人类深空探索所需的机器人技术。为与诸多客户卫星对接并为其提供服务，RSGS及其搭载卫星具有很长的使用寿命。

RSGS将具备以下能力：

自动对接用户航天器的发射适配器；

仔细检查客户特征；

完成机械处理，如改正部署任务异常现象；

将具备新功能的模块与客户卫星外部进行连接；

利用客户卫星的推进剂和排泄阀进行燃料补充；

使用服务商推进器重新定位客户卫星。

③在轨装配

地球同步轨道（GEO）通信卫星可以为更多客户提供更大的反射器，大型反射器的机械装置可为卫星运营商创造额外的收入，但目前的反射器尺寸受到运载飞行器整流罩调节能力的限制。因此，SSL公司正在NASA“临界点”项目框架下开展“Dragonfly”项目，以开发在轨装配技术。太空制造公司也在“临界点”项目下寻求在太空制造更大型的反射器。目前，在轨装配所需的许多技术和程序正在航天器的在轨检查和在轨服务领域得以积极开发。

在轨装配卫星的优势包括：RSS可以测试在轨装配太空望远镜所需的机器人技术；RSS在部署小型商业卫星时可使用高能推进剂；在轨装配的卫星设计可只考虑任务的执行，不必考虑发射需求，从而降低了集成和测试成本。

在轨装配太空望远镜是机器人在轨装配的候选计划。虽然目前所有的轨道望远镜都是通过单次发射进入轨道并作为独立单元部署，但某些新的设计模块由于体积过大无法实现单次整体发射并完成部署。NASA已委托一项研究利用模块化组装方法建造大型天体物理仪器。根据NASA报告显示，机器人装配将为未来的系外行星表征仪器提供风险评估和成本效益，报告建议使用RSGS测试装配技术。

在轨建造卫星。美国防科学与技术政策研究所（IDA STPI）发布报告对这一概念进行了概述：近十多年来，研究人员和专家建议实现飞船、卫星和其他飞行器在太空的部分或全部装配或制造，取代在地面完成的装配架构。虽然在轨装配/制造技术的发展现仍处于低水平阶段，但近年来已经取得了一些进展。ISS已通过增材制造（3D打印）技术在小型部件（如塑料工具）上实现了在轨制造。

根据 IDA STPI发布的报告显示：寄宿科学、商业以及军事有效载荷的持久运行平台也可实现在轨装配。该概念的基本思想是装配一个具有连接器的结构，该连接器可随时向多个载荷提供电力和通信服务。持久性运行平台可提供姿态控制、轨道维护以及实用程序服务，减少发射次数，降低组件的集成和测试成本，缩短发射周期，提高使用灵活性。

目前一些模块化卫星组装概念已经达到了很高的成熟度。如总部位于加利福尼亚州的NovaWurks公司开发的HISat细胞卫星概念，是一种模块化卫星构件，已通过飞行测试。德国航空航天中心（DLR）开发的“用于在轨卫星服务和组装的智能构建模块”（iBOSS）。此外，太空拖船对于实现在轨卫星装配必不可少，太空拖船可将装配完成的卫星运送到RSS所在轨道以外的地方。这些服务性任务将为未来的太空机器人系统以及机器人空间站的建立提供大量有价值的数据信息。

在轨装配/制造通信卫星的大型反射器，将显著受益于GEO通信卫星市场；NASA已经发起在国际空间站生产高质量光导纤维项目，RSS可作为该项目的进一步开发测试平台，甚至用作实际的生产平台。随着新兴技术、应用的投入以及空间站商业活动的增加，RSS应借鉴ISS的商业发展经验，以公私合作方式运行，减少RSS运行成本对政府预算的影响，并为空间站的设计和运行带来更大的灵活性。以上提到的服务性任务将为未来的太空机器人系统以及机器人空间站的建立提供大量有价值的数据信息。

二、机器人空间站设计要求

①RSS必须以机器人的方式构建，依托私人企业和实验室正在快速推进的机器人技术，如诺格公司及其合作伙伴在机器人装配和服务性商业基础设施（CIRAS）项目中开发的技术，包括：电力系统、姿态检测和控制、推进系统和通信系统，这些系统将集成到桁架组件上。②RSS应提供一个封闭的空间，以保护设备免受微陨石影响，可通过互锁方式自动构建。③RSS应可部署于太阳同步轨道，为未来轨道列车（A-Train）的后继仪器提供托管平台。④为便于所有处理程序和装配过程通过机器人执行，RSS应首先构建可连接其他部分的中央桁架模块，且每个交付组件及科学模块必须包含可连接机载机器人系统的接口；⑤RSS的设计计划必须包括自动维护和修理的能力，如：减少冗余以避免维持国际空间站运行的关键机器人出现单点故障；在无法进行修复时更换某些组件；开发机器人自动修复功能，包括在轨制造的使用。

三、RSS的开发动机

加速机器人技术进入地球轨道，刺激太空经济的发展；测试最终用于人类太空探索任务的机器人；为轨道天体物理观测台等系统验证机器人装配概念。RSS可提供ISS目前提供的许多功能：部署小型LEO卫星；在受保护空间内进行科学实验；托管地球观测仪器和其他外部有效载荷；使用在轨制造技术进行有益于商业、民用或国家安全应用的实验。

四、美国政府提供的技术支持

政府资助的用于构建/运行RSS的技术包括：RSS的框架建筑设备和技术，如“机器人装配与服务商业基础设施”（CIRAS）项目开发的技术；收回有效载荷的大型外部机械臂，如下一代大型“加拿大机械臂”；操控/装配有效载荷的较小型机械臂，如Dragonfly项目；收回轨道车辆和太空拖船的机器人手臂，如由MDA-US系统公司为RSGS和重返月球计划（Restore-L）计划开发的“FREND”手臂；用于机器人手臂自动抓取操作的软件系统，如美海军研究实验室正在为RSGS计划开发的技术。将这些技术与工业界技术相结合，可推动商业机器人能力蓬勃发展。

五、未来愿景

建造RSS的目标包括：将更多的机器人发射入太空并使用其完成更多的太空任务，从而改变太空作战；根据环境变化定向设计机器人，尽可能满足商业、科学和政府等多用户的需求；利用迅速发展的地面机器人技术促进太空机器人技术的扩展；为未来的太空探索任务降低风险；专注于完成地面上无法完成的测试；在不增加容量或人体生命支持设备的前提下，尽可能取代ISS的载荷寄宿功能；寄宿对ISS具有不安全影响的设备和技术。

NASA已经征求低地球轨道以及ISS的商业化发展意见,将小型卫星和运载火箭集成到机器人空间站的后勤系统中，并利用一些支持性技术实现更强大的太空物流基础设施服务。

与航天员空间站相比，机器人空间站运行成本及性能需求较低，但其设计、开发和部署仍是一项重大事业。机器人空间站可以执行大量有价值的功能，是推动机器人技术进入太空的最重要的节点。除了预先为RSS设想的功能外，机器人技术的灵活性还将使其具备执行其他任务的能力，实现更大的商业价值，推动人类深空探索任务的扩展，进而开启真正的太空机器人时代。