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杨晗之

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《科学画报》编辑

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太空中的“白衣天使”

2013-04-26 11:58:30

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太空中的“白衣天使”

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201110月,德国一颗质量为2吨的报废卫星“伦琴”呼啸着飞向地球。万幸的是,它最终坠入孟加拉湾,从而避免了一场灾难。由于燃油耗尽、元部件故障或控制软件出错等种种原因,不少人造卫星无法正常工作,只能在太空中毫无目的地飞行,最后往往沦为太空垃圾。如何拯救这些卫星,使其起死回生呢?机器人将有望挑起这副重担,完成这一看似不可完成的任务。

 

谁来拯救“患病”的卫星

目前,地球的卫星轨道上分布着1000多颗各种用途的人造卫星,这些卫星为人类生活带来了极大便利,如导航仪、卫星通信、卫星电视、天气预报等,可以说,我们的生活已经离不开卫星了。不过,在太空轨道上运行的卫星也会“生病”。卫星一旦“病发”,可能会产生一系列问题。如果卫星失控,可能会和附近的卫星发生碰撞,甚至造成灾难。

卫星之所以会“生病”,是因为传统卫星采用结构一体化设计,各系统互相嵌套、互相约束,任何一个部件或分系统出现问题,都将影响到整个系统。此外,现有的卫星都是一次性使用,缺乏维修性设计,发射后一旦任何子系统出现故障都将导致整个系统丧失功能。

在科幻小说中,我们常常可以看到这样的场景:机器人在太空中从事维修卫星的工作。可喜的是,这一切可能很快就会变成现实。为了实现对卫星“救死扶伤”,世界各地的一些组织正在研发太空中的“白衣天使”——机器人,这些机器人未来可以进入太空轨道为出问题的卫星或其他航天器提供维修保养服务。

不过,到目前为止,所有太空飞行器的维修工作主要由航天员完成。由于卫星维修的复杂性,人们很难设计出一个周全的维修方案;而机器人不会像人类那样具体问题具体分析,只能按照事先设计好的程序工作。2009年,航天员在维修哈勃太空望远镜时,需要去除望远镜上的一个把手,然后对有故障的电路板进行维修。但是,把手上的一颗螺栓无法松开,导致维修难以顺利进行。最后,航天员往复弯曲把手才将其弄断。如果是机器人,则难以完成此项维修工作。

然而,自从2003年“哥伦比亚”号航天飞机失事后,人们愈发感到将人类送到数百千米之外的太空从事维修工作显得过于冒险。于是,人们开始考虑使用机器人来完成太空维修工作。近年来,随着机器人领域取得的重大进步,使用机器人维修卫星已经逐步开始成为现实。

 

“治疗”卫星的关键技术

完全实现机器人医生“治疗”卫星还有一段路要走,这其中涉及一些关键技术。如果这些技术能够得到较好的解决,机器人医生很快就可以上岗工作了。

机器人为卫星提供维修服务,首先要对目标实施探测识别,探测的结果直接影响到维修成败与效率。这就要求探测设备具有图像识别与判断能力,能够准确地观测出目标的外部情况,以便实施各种操作。然而,太空中亮度很高,会对图像识别程序产生较大干扰。2005年,美国空军开展了此类测试,为XSS-11卫星配备了多种传感器,并在太空中工作一年多,拍摄了大量美国飞船以及火箭的图片。

现有的卫星在设计时一般没有考虑维修,基本上都是按照一次性使用来设计,给维修带来极大不便。例如,卫星上缺乏识别卫星的参考点,也没有便于安装维修机器人的辅助装置等。因此,在卫星设计之初就加入维修性设计显得尤为重要。

行之有效的抓取方法对于机器人来说也非常重要。总部设在英国的阿斯特里姆公司刚刚完成了原型机“鱼叉”的地面测试。装在追踪卫星上的“鱼叉”的工作原理和使用鱼叉捕鱼有些相似,它会射出类似鱼叉的装置插住坏掉的卫星或火箭。目前,欧洲空间局正在研究抓取卫星的技术,如机械臂、可以包裹目标的类似蜘蛛侠的网、机器人触手以及受海葵启发而研制的机器人夹持器等。不过,每种技术都有其优点和缺点,仍需进一步研究。

此外,合格的维修机器人应配备一个像瑞士军刀那样的多功能工具。每颗卫星都是不同的,机器人进行维修时需要携带多功能工具。找出机器人维修工作的相似性并设计多功能工具也是当前面临的一个难题。目前,在国际空间站开展实验的双臂机器人“德克斯特”拥有4种工具,但实际上为顺利完成维修工作,服务人员可能需要十几种工具。

 

“卫星医生”值得期待

卫星不能正常工作的原因很多。一些卫星是因为燃料耗尽或者个别器件出问题,而一些是损坏严重无法使用,还有一些则是彻底失去利用价值,成为太空垃圾。针对不同的情况,机器人将采用不同的策略来处置这些卫星。

地球同步轨道位于地球赤道上空约35000千米,大多用于通信卫星运转,其中已经成为太空垃圾的卫星数量不少。美国的一家公司正在考虑使用机器人拖车在地球同步轨道上清理太空垃圾。然而,将所有卫星拖到地球大气层中燃烧殆尽是不现实的,因此研究人员建议让那些在地球同步轨道上运行的卫星在燃料消耗完毕之后,可以在距离地面250千米被称为“卫星墓地”的轨道上运行。

还有大量的卫星可以通过加油或者维修就可以正常工作。不过,研究人员需要对加油等维修过程进行更加深入的研究。201211月,机器人“德克斯特”对一台洗衣机大小的卫星进行了加油实验。发射之前,卫星的油箱盖被拧紧并用绳子栓到卫星本体上,以防止它们在发射过程中脱落。然后,“德克斯特”使用液体乙醇燃料填充油箱。而早在2012年初,“德克斯特”已经能切断一颗试验卫星上的绳子并打开两个不同形状的油箱盖。

为了更好地利用废弃卫星上的资源,美国国防部高级研究项目局开始研究如何在太空中获取备件。其“凤凰计划”旨在“卫星墓地”拆解退役的通信卫星并重用那些有用的零部件,如从旧卫星上切下宽1.5米的天线,然后将其安装到微小的卫星上,重新利用这些天线。

修复太空中的卫星是一个非常昂贵和复杂的过程,因此目前没有得到普及。而商业卫星运营商则往往为了规避风险,宁愿发射一颗新的卫星也不愿尝试修复故障卫星。不过,人们的看法正逐步发生转变。一家大型航空航天公司往往经营几十颗地球同步通信卫星,一旦发生服务中断则意味着巨大的损失,能够立即修复显然比等待发射新的卫星要好得多。维修机器人可以持续使用15年,它能持续为卫星提供维修服务,同时消耗的燃料较少。

除此之外,强大的太空服务业将会给空间科学和载人航天飞行带来更为深远的影响,为在轨道上建设火箭难以一次性运输的大型结构铺平了道路。机器人可以组装尺寸比地球上望远镜大12倍甚至更多倍的天文望远镜。使用这样的望远镜,天文学家可以捕捉来自更遥远和更古老的宇宙对象的光子,寻找类地行星上的生命迹象。同时,也可以采用类似的技术在地球同步轨道建造更大的太空飞船。

尽管机器人给卫星提供维修服务受到众多关注,甚至开展了一些实质性的实验研究,但是也有专家认为,真正实现还存在一些障碍。例如,机器人在低地轨道进行维修服务成本过高,现有的保险协议内容存在不适用于解决机器人在太空维修卫星所造成的一些赔偿责任问题等。虽然困难重重,但我们相信,机器人在太空中维修卫星应该很快就能实现了!

 

 


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