□空間機(jī)器人使航天器無(wú)人在軌維修成為現(xiàn)實(shí)，有望改變現(xiàn)行航天商業(yè)模式
□為人類(lèi)開(kāi)拓深空探測(cè)新領(lǐng)地，有效降低載人航天探測(cè)帶來(lái)的高成本高風(fēng)險(xiǎn)
本期邀請(qǐng)國(guó)防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院楊樂(lè)平教授為您講述——
空間機(jī)器人：太空領(lǐng)域“多面手”
視點(diǎn)提要
太空具有微重力、高真空、強(qiáng)輻射等特點(diǎn)，其惡劣環(huán)境使人在太空中的活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)極高。于是，科學(xué)家們開(kāi)始探索用空間機(jī)器人代替宇航員工作，完成抓捕、釋放、裝配、加注、維修、巡視、采樣等多種作業(yè)任務(wù)，如美國(guó)航天飛機(jī)上的大型空間機(jī)械臂、“軌道快車(chē)”計(jì)劃中的空間機(jī)器人等，它們可協(xié)助宇航員對(duì)航天器進(jìn)行在軌維修、加注等服務(wù)；美俄等航天大國(guó)研制發(fā)射的“月球車(chē)”和“火星車(chē)”則可以在天體表面行走，對(duì)天體實(shí)施觀測(cè)、采樣等探測(cè)活動(dòng)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大量空間機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，在太空領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。
可讓成本昂貴的衛(wèi)星重復(fù)使用
自從人造衛(wèi)星上天以來(lái)，維修保障困難、生存能力弱，一直是制約衛(wèi)星發(fā)展與運(yùn)行的“短板”。由于無(wú)法實(shí)施在軌燃料加注，一旦燃料耗盡，衛(wèi)星就難以維持正常運(yùn)行的軌道與姿態(tài)，成本昂貴的衛(wèi)星就意味著壽終正寢。
由于上述這些因素，衛(wèi)星成了“一次性使用”的奢侈品，不僅其研制與發(fā)射費(fèi)用居高不下，過(guò)分追求可靠性也使得新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展緩慢。同時(shí)，一些大型復(fù)雜航天器發(fā)射對(duì)運(yùn)載火箭提出了更高要求，也需要通過(guò)在軌裝配降低航天發(fā)射技術(shù)難度與成本。
人類(lèi)實(shí)現(xiàn)載人航天飛行后，科學(xué)家試圖通過(guò)宇航員進(jìn)行衛(wèi)星在軌維修、加注服務(wù)。1984年，美國(guó)宇航員完成了一顆故障衛(wèi)星的修理，但成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，使得有人在軌服務(wù)難以推廣應(yīng)用。2007年，美國(guó)首次利用空間機(jī)器人進(jìn)行衛(wèi)星在軌加注和模塊更換試驗(yàn)，使太空無(wú)人自主在軌服務(wù)技術(shù)取得重大突破。
2011年12月，美國(guó)又提出“鳳凰計(jì)劃”，其目標(biāo)是發(fā)展具有精細(xì)操控能力的多臂空間機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道廢棄通信衛(wèi)星的回收利用。隨著在軌服務(wù)技術(shù)的成熟與廣泛應(yīng)用，未來(lái)航天將形成“制造-發(fā)射-運(yùn)行-維護(hù)-更換”新的商業(yè)模式，大大拓展人類(lèi)太空活動(dòng)的價(jià)值空間。
代替宇航員探尋天體奧秘
美國(guó)在上世紀(jì)60年代就將宇航員送上月球，實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球的科學(xué)探測(cè)、取樣等科學(xué)活動(dòng)。但由于受到高昂成本和人的生理限制，宇航員無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間在月球停留。事實(shí)上，自美國(guó)“阿波羅”載人登月計(jì)劃結(jié)束后，宇航員再未在月球等天體留下足跡，空間機(jī)器人成為代替宇航員開(kāi)展天體深空探測(cè)的好幫手。
利用空間機(jī)器人進(jìn)行深空探測(cè)不受人體生理限制，不需要復(fù)雜的環(huán)境與生命保障系統(tǒng)，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小，成本相對(duì)低廉。前蘇聯(lián)于1970年11月發(fā)射了世界上第一個(gè)著陸到月球的天體表面運(yùn)動(dòng)機(jī)器人——“月球車(chē)”一號(hào)，開(kāi)啟了空間機(jī)器人深空探測(cè)的先河。
1997年7月，美國(guó)發(fā)射的首臺(tái)火星表面運(yùn)動(dòng)機(jī)器人“索杰納號(hào)”在火星上工作了3個(gè)月，發(fā)回?cái)?shù)以千計(jì)的圖像，讓人們第一次對(duì)火星表面及天氣情況有了全面了解。此后，“勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”“好奇號(hào)”空間機(jī)器人又陸續(xù)登陸火星，通過(guò)鉆探獲取了火星巖石樣品及分析結(jié)果。2014年11月，歐洲“羅塞塔號(hào)”彗星探測(cè)器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)10年、總長(zhǎng)超過(guò)64億公里的太空飛行，首次在一顆彗星上登陸，為人類(lèi)了解太陽(yáng)系生命起源提供了新的觀測(cè)手段。
空間機(jī)器人憑借在空間環(huán)境適應(yīng)性和重量成本方面的突出優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為人類(lèi)深空探測(cè)的“主力軍”，其獨(dú)特作用和廣闊發(fā)展前景將成為未來(lái)深空探測(cè)新的制高點(diǎn)。
專(zhuān)家小傳：楊樂(lè)平，國(guó)防科技大學(xué)太空安全戰(zhàn)略研究中心常務(wù)副主任、博士生導(dǎo)師，國(guó)家863計(jì)劃專(zhuān)家，長(zhǎng)期從事太空安全戰(zhàn)略、新概念航天器、在軌服務(wù)技術(shù)等方面的研究與教學(xué)工作，獲軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。
爭(zhēng)奪“制天權(quán)”的先遣特戰(zhàn)隊(duì)
正如飛機(jī)出現(xiàn)之初在軍事上最先應(yīng)用于偵察，后來(lái)逐步發(fā)展出戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、加油機(jī)一樣，隨著空間機(jī)器人在太空廣泛應(yīng)用，未來(lái)也有可能發(fā)展形成專(zhuān)門(mén)的太空“戰(zhàn)斗機(jī)”“加油機(jī)”等新裝備。西方發(fā)達(dá)國(guó)家正利用空間機(jī)器人具備“察打一體、攻防兼?zhèn)洹钡奶攸c(diǎn)，將其發(fā)展為爭(zhēng)奪“制天權(quán)”的先遣特戰(zhàn)隊(duì)，以搶占太空軍事競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。
當(dāng)前，西方軍事強(qiáng)國(guó)為保持軍事競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，試圖通過(guò)空間機(jī)器人充當(dāng)“偵察兵”，近距離接近目標(biāo)航天器，對(duì)目標(biāo)航天器進(jìn)行持續(xù)與詳細(xì)的偵察監(jiān)視，利用其搭載的機(jī)械手、飛網(wǎng)、飛爪等載荷，開(kāi)展對(duì)目標(biāo)航天器噴涂致盲物質(zhì)、實(shí)施信號(hào)干擾，甚至直接捕獲目標(biāo)航天器等行動(dòng)。同時(shí)，著力打造太空作戰(zhàn)平臺(tái)，建立天基對(duì)抗系統(tǒng)，將空間機(jī)器人發(fā)展成類(lèi)似地面戰(zhàn)場(chǎng)的特戰(zhàn)隊(duì)，使其具有“短兵相接”的作戰(zhàn)功能。近年來(lái)，美國(guó)以在軌服務(wù)為掩護(hù)，加快發(fā)展“軌道快車(chē)”“鳳凰計(jì)劃”等多種空間機(jī)器人，可以說(shuō)很大程度上是在為太空戰(zhàn)做準(zhǔn)備。
