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

在過去的 20 多年時(shí)間里，美國(guó)陸地衛(wèi)星 7 號(hào) (LANDSAT-7) 每 99 分鐘會(huì)繞地球飛行一圈，每 16 天會(huì)抓拍一次幾乎所有地球表面的圖像。作為觀測(cè)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(duì)蝦養(yǎng)殖場(chǎng)的擴(kuò)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(hào)燃料耗盡后，它的使用壽命也將結(jié)束，因?yàn)槟壳斑€沒有辦法在太空中為其添加燃料。

不過，NASA 對(duì)此提出了潛在方案。幾年后，該機(jī)構(gòu)計(jì)劃將向太空發(fā)射軌道機(jī)器人，并操縱其進(jìn)入陸地衛(wèi)星 7 號(hào)的抓取范圍內(nèi)。這個(gè)機(jī)器人將使用機(jī)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(biāo)志著一個(gè)新里程碑，即首次在太空中為衛(wèi)星添加燃料。這項(xiàng)任務(wù)只是眾多計(jì)劃之一，這些計(jì)劃打算使用機(jī)器人來修復(fù)和改進(jìn)軌道上價(jià)值數(shù)十億美元的衛(wèi)星。

最終，這樣的努力可能會(huì)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(jī)網(wǎng)絡(luò)的成本，提供更好的天氣預(yù)報(bào)，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(jī)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(zhǎng)壽命

目前，軌道上大約有 4852 顆正在運(yùn)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(shí)，大多數(shù)衛(wèi)星偶爾也需要燃料來調(diào)整軌道。當(dāng)燃料耗盡時(shí)，它們就可能成為太空垃圾，進(jìn)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(fù)責(zé)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(yuǎn)不可能再為其加注更多汽油，永遠(yuǎn)不能更換機(jī)油，也無法維護(hù)或修復(fù)任何東西。而在接下來的 10 年里，你還必須使用它?，F(xiàn)在，你認(rèn)為這輛車會(huì)有多貴，有多復(fù)雜？這與我們使用衛(wèi)星的情況相似。”

為了讓衛(wèi)星盡可能長(zhǎng)時(shí)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(jìn)行的制造和修復(fù)都要依賴宇航員，包括哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的修復(fù)和國(guó)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(jī)器人來完成這項(xiàng)工作的努力日益受到關(guān)注。

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人和機(jī)器學(xué)習(xí)部門負(fù)責(zé)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(jī)器人機(jī)械師，當(dāng)衛(wèi)星發(fā)生故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行維修?！?/p>

機(jī)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)方面取得了很大進(jìn)展。在 2007 年 NASA 的一個(gè)示范項(xiàng)目中，兩個(gè)專門建造的飛行器就駐留在軌道上并進(jìn)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(gè)“任務(wù)延伸飛行器”，它們配備有發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)在未來十年內(nèi)，將啟動(dòng)的兩項(xiàng)新任務(wù)有望使在軌維修工作更上一層樓。示范項(xiàng)目將使用配備機(jī)械臂的半自動(dòng)機(jī)器人為在軌衛(wèi)星補(bǔ)充燃料，甚至進(jìn)行簡(jiǎn)單的維修。

亨肖正在研究地球同步衛(wèi)星的機(jī)器人維護(hù)服務(wù)，這是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 資助的項(xiàng)目。如果定于 2024 年進(jìn)行的演示任務(wù)成功，這將標(biāo)志著機(jī)器人飛行器首次成功捕獲沒有專門設(shè)計(jì)卻能與之對(duì)接的衛(wèi)星。亨肖及其同事最近在“控制、機(jī)器人和自主系統(tǒng)年度評(píng)論”中探討了使用太空機(jī)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(jìn)行維修，因此它們?nèi)狈Ρ环Q為基準(zhǔn)的標(biāo)記，這將使機(jī)器人不太容易對(duì)移動(dòng)的衛(wèi)星進(jìn)行視覺定位。同時(shí)，衛(wèi)星也沒有專門為機(jī)器人設(shè)計(jì)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(gè)問題是機(jī)器人和地球控制團(tuán)隊(duì)之間通信的時(shí)間延遲。對(duì)于在約 3.5 萬公里高空的地球同步軌道上運(yùn)行的機(jī)器人來說，距離和信號(hào)處理在機(jī)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(jī)器人將需要自主處理最關(guān)鍵的任務(wù)。不過幸運(yùn)的是，這項(xiàng)工作可以建立在太空中現(xiàn)有的機(jī)械臂上，包括國(guó)際空間站目前正在使用的兩個(gè)機(jī)械臂。

在一次演示任務(wù)中，亨肖及其工程師同事計(jì)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(jī)器人將使用攝像頭和激光測(cè)距儀將其機(jī)器人與衛(wèi)星相匹配，并機(jī)動(dòng)到衛(wèi)星大約 2 米范圍內(nèi)。當(dāng)足夠近的時(shí)候，機(jī)器人會(huì)用兩只機(jī)械臂中的一只抓住之前將衛(wèi)星固定在運(yùn)載火箭上的鋁環(huán)。

同時(shí)，另一只機(jī)械臂將負(fù)責(zé)檢測(cè)未能正確展開的太陽能電池板或天線，這樣的問題每?jī)傻饺昃蜁?huì)發(fā)生一次。此外，這只機(jī)械臂還能將新的儀器連接到衛(wèi)星的外部，例如更強(qiáng)大的發(fā)射器、攝像頭或天線。

NASA 的雄心

在 2025 年之后的某個(gè)時(shí)候，NASA 計(jì)劃發(fā)射更加雄心勃勃的機(jī)器人，名為在軌維修、組裝和制造 1 號(hào) (OSAM-1) 機(jī)器人，它將首先負(fù)責(zé)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(hào)將是 OSAM-1 的首個(gè)加油任務(wù)。這顆衛(wèi)星于 1999 年由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)射，進(jìn)入約 700 公里高的近地軌道，其工作已被更先進(jìn)的衛(wèi)星接管，但它為科學(xué)家提供了測(cè)試機(jī)器人在軌加油的機(jī)會(huì)。NASA 的 OSAM-1 項(xiàng)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(zhǔn)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?！?/p>

羅伯遜說，OSAM-1 將使用機(jī)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(jī)器人最直接的目標(biāo)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，在軌組裝和制造衛(wèi)星可能更重要。例如，OSAM-1 有一項(xiàng)額外的任務(wù)，它將搭載名為 SPIDER 的單獨(dú)機(jī)器人，旨在展示在太空中組裝東西的能力。SPIDER 的第一個(gè)任務(wù)將是組裝 7 件式 3 米長(zhǎng)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(jiān)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(jī)器人技術(shù)可能會(huì)開啟一個(gè)太空建設(shè)新紀(jì)元，幫助建設(shè)更寬敞的太空旅游空間站、太空燃料庫(kù)，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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