轨道机器人可以帮助太空中的卫星修理和加油

　　美国国家航空航天局计划采用轨道机器人为太空中的卫星补充燃料，如果成功，这将标志着一个太空探索中的里程碑。
　　20多年来，地球资源卫星陆地7号（Landsat7）每99分钟左右环绕地球一周，每16天就能捕捉到几乎所有地球表面的图像。作为众多观测地球变化的卫星之一，它揭示了格陵兰岛冰川的融化、墨西哥捕鱼场的增长以及巴布亚新几内亚森林砍伐的严重程度。但在陆地7号卫星耗尽燃料后，它的使用寿命实际上就已经结束了，毕竟在太空中定期维修并不是一个好选择。
　　不过，现在美国国家航空航天局（NASA）有了一种潜在的方法来修复这些受损或缺少燃料的卫星。几年后，NASA计划将一个机器人发射到轨道上并将其移动到陆地7号卫星的可抓取距离之内，随后机器人将在半空中用一只机械手臂抓住它并进行燃料补充。
　　这项任务只是计划中的公共和私人项目之一，这些项目旨在利用机器人修复和改善价值数十亿美元的轨道卫星。最终，通过这样的努力人类可以获得更好更便宜的卫星，从而降低互联网和手机网络的成本，提供更好的天气预报，提供前所未有的行星变化和宇宙的观测结果。甚至，这可以掀起一股新的太空轨道建设浪潮，用机器人大军来建造卫星、空间站，甚至火星飞船。
　　延长卫星寿命
　　现在地球轨道上在轨工作的卫星有4852颗左右，在通信、遥感等领域发挥着重要作用。不幸的是在太空中，如果有什么东西坏了，那就没有办法修复。同时大多数卫星也需要燃料来偶尔调整轨道，一旦卫星的燃料耗尽，它们就可能会变成大量的太空垃圾，使原本就严重的太空垃圾问题更加雪上加霜。
　　想象一下，你明天要去买一辆车，布莱恩威登说，他是一个名为交会和服务运作执行联盟（CONFERS）工业组织的负责人。你永远不可能往里面加更多的汽油，你永远不能维护或修理任何东西。你必须在接下来的10年里使用它，那么你认为那辆车会有多贵，多复杂？这正是我们多年来一直在用卫星做的事情。
　　此时此刻，成千上万颗正常工作的卫星正在环绕地球运行。如果不能修理和补充燃料，很多可能会变成太空垃圾
　　为了让卫星尽可能长时间地工作，工程师们建立了冗余系统并尽可能多地装入燃料。所有这些准备都增加了建造和发射卫星的额外成本，一般来说一颗现代通信卫星大约要花费5亿美元。到目前为止，几乎所有在太空中进行的建造和维修都至少在一定程度上依赖于宇航员，包括修复哈勃太空望远镜和国际空间站的建设。但是将人类送入太空的费用非常昂贵，因此近年来研发机器人完成这项工作的努力一直在不断进行。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表示，我们真正想做的是，在太空中部署一名机器人机械师，并能够在卫星坏了的时候修理它们。‘
　　’来自机器人的救援
　　在过去的几十年里，研究人员朝着这个目标取得了进展。在2007年美国国家航空航天局的一个示范项目中，一对特殊建造的飞船停靠在轨道上并进行燃料的转移，更近一些的是在2020年诺斯罗普格鲁曼航空航天公司成功发射了两艘任务扩展飞行器，它们配备了自己的发动机和燃料，并连接到两颗商业卫星上，将它们送入新的轨道。预计近十年将发射两项新的任务，这两个示范项目将使用配备机械臂的半自主机器人为轨道卫星添加燃料，甚至进行简单的维修。
　　詹姆斯韦伯太空望远镜在2021年12月发射后，必须完成一系列复杂的步骤来部署它的18个反射镜部分（如图所示）。在未来，太空机器人可以帮助组装更复杂的结构，成本更低风险更小
　　亨肖和他的同事最近在《控制、机器人和自主系统年度回顾》书中探讨了用空间机器人服务卫星所面临的一些挑战。其中一个问题是现有的卫星从来就没有维修的打算，它们缺乏可以使机器人的视觉系统定位自己的标记，同时没有为机器人提前设计的固定装置。而卫星中突出的部分如天线和太阳能电池板等，往往因为太脆弱而无法抓取。
　　另一个问题是机器人和地球之间的时间差。对于一个在地球同步轨道上运行的机器人来说，这大概是35，000公里的高空，距离和信号处理会导致机器人和它在地球上的控制器之间的通信延迟达到几秒钟之久。因此，在这种情况下机器人将需要自己处理最关键的任务。幸运的是，这项工作可以建立在现有的太空机器人手臂基础上，包括目前在国际空间站上使用的两个机器人手臂。
　　为了执行示范任务，亨肖和他的工程师伙伴们计划从成千上万颗停在偏僻轨道上不活跃的老卫星中选择一颗。机器人将利用相机和激光测距仪将运行轨道与卫星匹配，并将轨道调整到2米以内。当距离足够近的时候，机器人会用两只手臂中的一只抓住一个铝环，这个铝环以前是用来将卫星固定在运载火箭上的；同时另一只机械臂将能够修复那些不能正确展开的太阳能电池或天线这种问题通常每两三年就会发生一次。
　　亨肖说，它还可以将新的仪器连接到卫星的外部，比如更强大的发射机、摄像机或天线。
　　轨道机器人计划OSAM1号
　　在2025年后的某个时候，美国宇航局计划发射一个更加复杂的机器人OSAM1号，这个机器人将首先管理现有卫星的复杂加油操作，然后尝试在太空中建造全新的结构。
　　针对陆地7号的工作将是OSAM1的首要任务，在1999年美国地质调查局（将这颗卫星发射到近地轨道（大约700公里高），不久后它的工作被更先进的卫星接手，但它目前再一次为科学家们提供了一个测试机器人加油的机会。
　　20多年前，技术人员为卫星的发射做准备，他们从没想过有人会再接触到这个界面，美国宇航局OSAM1项目经理布伦特罗伯逊说。OSAM1将使用它的机械臂切割绝缘层，剪断两根电线，拧松一个螺栓，然后连接软管，注入115公斤的联氨燃料。
　　虽然修复和服务现有卫星是最直接的目标，但从长远来看，在轨组装和制造可能更重要。例如，OSAM1有一个额外的任务，它将携带一个单独的机器人，称蜘蛛号（SPIDER），旨在证明它可以在太空中组装东西。蜘蛛号的第一项任务将是组装一个由7块组成的3米长的天线，并将其送入轨道。OSAM1还使用类似3D打印的工艺从零开始建造结构部件，用碳纤维和其他纺织品制造出坚固而轻质的复合梁。这样的复合梁可以被连接起来，构成卫星或其他轨道结构的结构部件。
　　如果现在计划中的任务成功，机器人技术将开启一个新的太空建设时代燃料库、太空采矿作业、更宽敞的太空旅游空间站，甚至是在轨道上建造的前往火星的宇宙飞船。我们想要证明我们可以建造这些东西，这在以前没有人这么做过，罗伯逊说。如果你有能力在太空组装东西，你可以带自己的材料，或让人送材料给你，总之你可以建造更大的东西。
　　本文参考arstechnica文章，Orbitingrobotscouldhelpfixandfuelsatellitesinspace，如有兴趣还可查阅原文。
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