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【前沿】空间机器人:研究进展和关键技术

导读: 空间机器人是为适应航天任务的变化而发展起来的,涉及到空间站建设维护、在轨服务、航天员作业辅助到对非合作目标的作业的各个方面。本文结合我们的工作和思考,回顾空间机器人在载人航天、在轨服务等方面的研究进展和面临问题。

  空间机器人是为适应航天任务的变化而发展起来的,涉及到空间站建设维护、在轨服务、航天员作业辅助到对非合作目标的作业的各个方面。1992年我国启动了载人航天工程,已成功实现5次无人飞船飞行和4次载人飞行,掌握了载人天地往返、航天员出舱活动和空间交会对接相关的核心技术,奠定了空间站建造的基础能力。2010年9月国家批准载人空间站工程,随着工程的进展,未来空间站检测维护、航天员作业辅助等任务,对空间机器人提出了新的技术需求。此外随着我国高价值航天器的发射在轨运行,受燃料耗尽、空间碎片和故障等的影响,这些空间资产的维护和能力保障必将成为提高航天效率、保障航天器能力的重要议题。在轨服务技术可提高航天器运行可靠性,降低总体研制运行成本;利用在轨维修代替整星替换,提高航天器研制效率;在轨制造、组装技术实现航天器的优化设计;空间碎片移除、辅助离轨、在轨维修等商业应用;促进航天器研制变革;牵引带动多学科、新技术发展。本文结合我们的工作和思考,回顾空间机器人在载人航天、在轨服务等方面的研究进展和面临问题。

  1.关键技术的提出和确立

  正确地提出问题,解决问题的最重要的一步。NASA提出了一套确定未来人类太空探索任务的技术路线图方法值得关注。实现需要制定明确的功能需求,没有顶层规划就很难制定技术投资策略。以制定“环境控制和生命保障系统”(Environmental Control and Life Support Systems缩写为ECLSS)路线图为例,系统目标是增强国际空间站(ISS)的长期作业能力,满足超低地球轨道(LEO)人类探索任务。达到上述目标,需要优先发展三种基本的任务能力和技术,即1)短期微重力;2)长期微重力;3)长期部分重力探索任务。然后把ECLSS功能分解为三个主要功能:大气、水和固体废物的管理。进一步把子功能的技术需求与现有先进技术(SOA)对接,再由美国宇航局主题专家评估单个技术那个在何种程度上能够满足上述三种任务的功能需求。当SOA不能满足一个或多个任务需时,这些有差距的技术被确定为优先发展的实现或增强某个任务功能的技术,并列入需求表,用于指导ECLSS的关键技术投资。有些内容作为需要探索的技术,随时间推移,满足这些需求的策略构成了技术发展路线图。执行该路线图,促进硬件和技术发展,使国际空间站的作业能力和多用途载人飞船(MPCV)的能力得到提升,并指导长期技术投资长期任务。借鉴上述思路,对空间机器人发展的若干方面给予分析。

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