3月6日消息，当太空中的卫星部件损坏或燃料耗尽时，往往意味着其使用寿命也将终结。为了赋予卫星更长的使用时间，美国宇航局（NASA）提出潜在解决方案，即派轨道机器人前往维修或加注燃料。



在过去的20多年时间里，美国陆地卫星7号 (LANDSAT-7) 每99分钟会绕地球飞行一圈，每16天会抓拍一次几乎所有地球表面的图像。作为观测地球变化的众多飞行器之一，它揭示了格陵兰岛冰川融化、墨西哥对虾养殖场的扩张以及巴布亚新几内亚森林砍伐的情况。但在陆地卫星7号燃料耗尽后，它的使用寿命也将结束，因为目前还没有办法在太空中为其添加燃料。


不过，NASA对此提出了潜在方案。几年后，该机构计划将向太空发射轨道机器人，并操纵其进入陆地卫星7号的抓取范围内。这个机器人将使用机械臂抓住卫星，在太空中为其加注燃料。如果成功，这次任务将标志着一个新里程碑，即首次在太空中为卫星添加燃料。这项任务只是众多公私计划之一，这些计划打算使用机器人来修复和改进轨道上价值数十亿美元的卫星。


最终，这样的努力可能会带来更好、更便宜的卫星，这些卫星可以降低互联网和手机网络的成本，提供更好的天气预报，并提供前所未有的地球和宇宙变化视角。它们甚至可能掀起新一轮在轨建设浪潮，使用机器人大军建造卫星、空间站，甚至是前往火星的宇宙飞船。


赋予卫星更长寿命


目前，轨道上大约有4852颗正在运行的卫星，在通信、遥感和其他任务中发挥着至关重要的作用。但所有人都知道，如果这些卫星损坏，现在几乎没有办法修复它们。同时，大多数卫星偶尔也需要燃料来调整轨道。当燃料耗尽时，它们就可能成为太空垃圾，进一步增加环绕地球的大量碎片流数量。


太空服务行业组织Concers负责人布莱恩·维登(Brian Weeden)说：“想象一下，你明天要去买一辆车。但你必须记住，永远不可能再为其加注更多汽油，永远不能更换机油，也无法维护或修复任何东西。而在接下来的10年里，你还必须使用它。现在，你认为这辆车会有多贵，有多复杂？这与我们使用卫星的情况相似。”


为了让卫星尽可能长时间地工作，工程师们建造了所谓的冗余系统，并尽可能多地加注燃料，但所有这些努力都增加了制造和发射卫星的成本。到目前为止，几乎所有在太空中进行的制造和修复都要依赖宇航员，包括哈勃太空望远镜的修复和国际空间站的建设。但将人类送入太空的成本非常高昂，因此近年来开发机器人来完成这项工作的努力日益受到关注。


美国海军研究实验室机器人和机器学习部门负责人卡尔·格伦·亨肖(Carl Glen Henshaw)表示：“我们真正想做的是，在太空中部署机器人机械师，当卫星发生故障时对其进行维修。”


机器人救援面临诸多挑战


在过去的几十年里，研究人员在实现这个目标方面取得了很大进展。在2007年NASA的一个示范项目中，两个专门建造的飞行器就驻留在轨道上并进行燃料转移。最近，在2020年，航空航天企业诺斯罗普·格鲁曼公司成功地发射了两个“任务延伸飞行器”，它们配备有发动机和燃料，附着在两颗商业卫星上，并将后者推入了新的轨道。


预计在未来十年内，将启动的两项新任务有望使在轨维修工作更上一层楼。示范项目将使用配备机械臂的半自动机器人为在轨卫星补充燃料，甚至进行简单的维修。


亨肖正在研究地球同步卫星的机器人维护服务，这是美国国防高级研究计划局(DARPA)资助的项目。如果定于2024年进行的演示任务成功，这将标志着机器人飞行器首次成功捕获没有专门设计却能与之对接的卫星。亨肖及其同事最近在“控制、机器人和自主系统年度评论”中探讨了使用太空机器人维修卫星所面临的挑战。


这样的挑战很多，由于现有的卫星从来没有想过进行维修，因此它们缺乏被称为基准的标记，这将使机器人不太容易对移动的卫星进行视觉定位。同时，卫星也没有专门为机器人设计的抓取装置，而卫星上突出的部分往往太脆弱而无法抓取，如天线和太阳能电池板。


另一个问题是机器人和地球控制团队之间通信的时间延迟。对于在约3.5万公里高空的地球同步轨道上运行的机器人来说，距离和信号处理在机器人与地球上的控制器之间造成了几秒钟的通信延迟，因此机器人将需要自主处理最关键的任务。不过幸运的是，这项工作可以建立在太空中现有的机械臂上，包括国际空间站目前正在使用的两个机械臂。


在一次演示任务中，亨肖及其工程师同事计划从数千颗老旧的、不再活跃的卫星中选择一颗，这些卫星依然“驻泊”在偏僻的轨道上。机器人将使用摄像头和激光测距仪将其机器人与卫星相匹配，并机动到卫星大约2米范围内。当足够近的时候，机器人会用两只机械臂中的一只抓住之前将卫星固定在运载火箭上的铝环。


同时，另一只机械臂将负责检测未能正确展开的太阳能电池板或天线，这样的问题每两到三年就会发生一次。此外，这只机械臂还能将新的仪器连接到卫星的外部，例如更强大的发射器、摄像头或天线。


NASA的雄心


在2025年之后的某个时候，NASA计划发射更加雄心勃勃的机器人，名为在轨维修、组装和制造1号(OSAM-1)机器人，它将首先负责为现有卫星添加燃料。然后，OSAM-1将演示是否可以在太空中建造全新的结构。


陆地卫星7号将是OSAM-1的首个加油任务。这颗卫星于1999年由美国地质调查局发射，进入约700公里高的近地轨道，其工作已被更先进的卫星接管，但它为科学家提供了测试机器人在轨加油的机会。NASA的OSAM-1项目经理布伦特·罗伯逊(Brent Robertson)说：“20多年前，技术人员通常在准备发射前为卫星添加燃料，他们从未想过再次为其加油。”


罗伯逊说，OSAM-1将使用机械臂切断绝缘层，剪断两根电线，拧下螺栓，然后连接软管并注入115公斤燃料。虽然维修现有卫星是机器人最直接的目标，但从长远来看，在轨组装和制造卫星可能更重要。例如，OSAM-1有一项额外的任务，它将搭载名为SPIDER的单独机器人，旨在展示在太空中组装东西的能力。SPIDER的第一个任务将是组装7件式3米长的天线，并将其送入轨道。


使用与3D打印类似的工艺，OSAM-1还将证明其可以从头开始制造结构部件，用碳纤维卷轴和其他纺织品制造出坚固而轻便的复合梁。像这样的部件可以连接起来，形成卫星或其他轨道结构必需的结构组件。


如果目前正在规划的任务成功，机器人技术可能会开启一个太空建设新纪元，帮助建设更宽敞的太空旅游空间站、太空燃料库，并支持太空采矿作业，甚至是在轨道上制造前往火星的飞船。罗伯逊说：“我们想证明，我们可以制造这些东西，尽管以前没有人做到过。如果你有能力在太空中组装东西，就可以自带材料，或者让人把材料发给你，以组建更大的人造物体。“ （小小）