□空間機(jī)器人使航天器無人在軌維修成為現(xiàn)實，有望改變現(xiàn)行航天商業(yè)模式
□為人類開拓深空探測新領(lǐng)地，有效降低載人航天探測帶來的高成本高風(fēng)險
本期邀請國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院楊樂平教授為您講述——
空間機(jī)器人：太空領(lǐng)域“多面手”
視點提要
太空具有微重力、高真空、強(qiáng)輻射等特點，其惡劣環(huán)境使人在太空中的活動風(fēng)險極高。于是，科學(xué)家們開始探索用空間機(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)，如美國航天飛機(jī)上的大型空間機(jī)械臂、“軌道快車”計劃中的空間機(jī)器人等，它們可協(xié)助宇航員對航天器進(jìn)行在軌維修、加注等服務(wù)；美俄等航天大國研制發(fā)射的“月球車”和“火星車”則可以在天體表面行走，對天體實施觀測、采樣等探測活動。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，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”。由于無法實施在軌燃料加注，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)射費用居高不下，過分追求可靠性也使得新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展緩慢。同時，一些大型復(fù)雜航天器發(fā)射對運(yùn)載火箭提出了更高要求，也需要通過在軌裝配降低航天發(fā)射技術(shù)難度與成本。
人類實現(xiàn)載人航天飛行后，科學(xué)家試圖通過宇航員進(jìn)行衛(wèi)星在軌維修、加注服務(wù)。1984年，美國宇航員完成了一顆故障衛(wèi)星的修理，但成本高、風(fēng)險大，使得有人在軌服務(wù)難以推廣應(yīng)用。2007年，美國首次利用空間機(jī)器人進(jìn)行衛(wèi)星在軌加注和模塊更換試驗，使太空無人自主在軌服務(wù)技術(shù)取得重大突破。
2011年12月，美國又提出“鳳凰計劃”，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，大大拓展人類太空活動的價值空間。
代替宇航員探尋天體奧秘
美國在上世紀(jì)60年代就將宇航員送上月球，實現(xiàn)了對月球的科學(xué)探測、取樣等科學(xué)活動。但由于受到高昂成本和人的生理限制，宇航員無法長時間在月球停留。事實上，自美國“阿波羅”載人登月計劃結(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展天體深空探測的好幫手。
利用空間機(jī)器人進(jìn)行深空探測不受人體生理限制，不需要復(fù)雜的環(huán)境與生命保障系統(tǒng)，風(fēng)險系數(shù)小，成本相對低廉。前蘇聯(lián)于1970年11月發(fā)射了世界上第一個著陸到月球的天體表面運(yùn)動機(jī)器人——“月球車”一號，開啟了空間機(jī)器人深空探測的先河。
1997年7月，美國發(fā)射的首臺火星表面運(yùn)動機(jī)器人“索杰納號”在火星上工作了3個月，發(fā)回數(shù)以千計的圖像，讓人們第一次對火星表面及天氣情況有了全面了解。此后，“勇氣號”“機(jī)遇號”“好奇號”空間機(jī)器人又陸續(xù)登陸火星，通過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”彗星探測器經(jīng)過長達(dá)10年、總長超過64億公里的太空飛行，首次在一顆彗星上登陸，為人類了解太陽系生命起源提供了新的觀測手段。
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，已經(jīng)成為人類深空探測的“主力軍”，其獨特作用和廣闊發(fā)展前景將成為未來深空探測新的制高點。
專家小傳：楊樂平，國防科技大學(xué)太空安全戰(zhàn)略研究中心常務(wù)副主任、博士生導(dǎo)師，國家863計劃專家，長期從事太空安全戰(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，獲軍隊科技進(jìn)步一等獎等多項獎勵。
爭奪“制天權(quán)”的先遣特戰(zhàn)隊
正如飛機(jī)出現(xiàn)之初在軍事上最先應(yīng)用于偵察，后來逐步發(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，未來也有可能發(fā)展形成專門的太空“戰(zhàn)斗機(jī)”“加油機(jī)”等新裝備。西方發(fā)達(dá)國家正利用空間機(jī)器人具備“察打一體、攻防兼?zhèn)洹钡奶攸c，將其發(fā)展為爭奪“制天權(quán)”的先遣特戰(zhàn)隊，以搶占太空軍事競爭制高點。
當(dāng)前，西方軍事強(qiáng)國為保持軍事競爭優(yōu)勢，試圖通過空間機(jī)器人充當(dāng)“偵察兵”，近距離接近目標(biāo)航天器，對目標(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，開展對目標(biāo)航天器噴涂致盲物質(zhì)、實施信號干擾，甚至直接捕獲目標(biāo)航天器等行動。同時，著力打造太空作戰(zhàn)平臺，建立天基對抗系統(tǒng)，將空間機(jī)器人發(fā)展成類似地面戰(zhàn)場的特戰(zhàn)隊，使其具有“短兵相接”的作戰(zhàn)功能。近年來，美國以在軌服務(wù)為掩護(hù)，加快發(fā)展“軌道快車”“鳳凰計劃”等多種空間機(jī)器人，可以說很大程度上是在為太空戰(zhàn)做準(zhǔn)備。
