太空軌道上的“機(jī)器人總動(dòng)員”

張唯誠

請(qǐng)“瓦力”上太空

許多年以后，地球上堆滿了垃圾，變得荒無人煙，草木不生，人們被迫轉(zhuǎn)移到太空船上居住，并請(qǐng)機(jī)器人清理地球，機(jī)器人“瓦力”就這樣干起了清理地球垃圾的工作。在日復(fù)一日的單調(diào)工作中，“瓦力”漸漸有了意識(shí)，開始向往人類的愛情生活。有一天，一個(gè)叫“伊娃”的女機(jī)器人從天而降，“瓦力”愛上了它，并和“伊娃”一起幫助人類重返地球

這是電影《機(jī)器人總動(dòng)員》中描述的情節(jié)。電影中的機(jī)器人有了浪漫的愛情，自然很“科幻”。然而，假若去掉浪漫，將“堆滿垃圾”這樣的描述放到太空中，再將“瓦力”也請(qǐng)到太空中為地球日益擁擠的衛(wèi)星軌道“清理垃圾”，科學(xué)家大概就不會(huì)覺得有多么“科幻”了。因?yàn)榈厍蜍壍郎洗_實(shí)布滿了垃圾，人們現(xiàn)在真的需要“瓦力”這樣的機(jī)器人去“清理垃圾”了。

在《機(jī)器人總動(dòng)員》中，堆滿地球的垃圾來自人類高度物質(zhì)化的地球文明，而今天遍布地球軌道上的“太空垃圾”也同樣如此，它們包括各種退役和失效的人造衛(wèi)星、大小不一的衛(wèi)星碎片、各種散落于軌道上的衛(wèi)星零部件等等。這些東西不僅對(duì)運(yùn)行中的衛(wèi)星構(gòu)成威脅，還有可能墜人地面。2011年10月，德國的x射線觀測衛(wèi)星“倫琴”就讓人們大吃一驚。這顆于1999年退役的廢棄衛(wèi)星重約2噸，于2011年10月23日墜入孟加拉灣。盡管這顆衛(wèi)星在進(jìn)入大氣層時(shí)燒掉了一部分，但剩余部分依然十分可怕。經(jīng)過計(jì)算，如果“倫琴”再晚10分鐘進(jìn)入大氣層，那么它的墜落地點(diǎn)就不是孟加拉灣，而是北京了。

幸虧這樣的事目前并不是很多，但情況卻正在變得越來越糟。統(tǒng)計(jì)表明，現(xiàn)在平均每年都會(huì)有一顆衛(wèi)星被發(fā)射到錯(cuò)誤的軌道上，或者不能有效地啟動(dòng)重要部件開展工作，這些衛(wèi)星在它們生命的起始階段就陷入了困境。還有一些衛(wèi)星用完了它們的燃料，它們的運(yùn)行生涯也不得不因此而結(jié)束。

有沒有辦法糾正衛(wèi)星上的錯(cuò)誤呢？有，這就是太空維修。通過太空維修，人們可以為衛(wèi)星更換部件或者補(bǔ)充燃料，失效的衛(wèi)星可以重獲新生，廢棄的衛(wèi)星可以得到清理，這不僅節(jié)省了大量金錢，還能保證鄰近衛(wèi)星的安全，避免衛(wèi)星碰撞事故的發(fā)生。在此前，太空維修多由宇航員來完成，其中令人矚目的成就便是宇航員成功地在太空中維修了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。事實(shí)證明，由人來從事這種工作的優(yōu)勢是明顯的，因?yàn)樵谔站S修的過程中，預(yù)料不到的事時(shí)有發(fā)生，完全靠程序行事的機(jī)器人在那種時(shí)候容易“一籌莫展”，而人則能“隨機(jī)應(yīng)變”。在宇航員使用航天飛機(jī)五次為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡實(shí)施維修的那段時(shí)間，他們也對(duì)一些商用衛(wèi)星實(shí)施了維修。毫無疑問，人類在太空維修中的表現(xiàn)是非常出色的。

“太空巡視員”與“太空魚叉”

然而，2003年的“哥倫比亞”號(hào)失事悲劇，使人們變得謹(jǐn)慎起來，他們意識(shí)到，把宇航員送到太空軌道上從事維修工作是危險(xiǎn)的，而使用機(jī)器人風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)小得多。與此同時(shí)，近10年來的科技進(jìn)步也為機(jī)器人進(jìn)入太空維修領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這預(yù)示著，人們確實(shí)可以考慮讓“瓦力”這樣的機(jī)器人在太空中大顯身手了。

科學(xué)家認(rèn)為，對(duì)于太空版的“瓦力”來說，最簡單的工作就是做一個(gè)“巡視員”，即檢查軌道上的衛(wèi)星是否出現(xiàn)了損壞。它要接近衛(wèi)星，前前后后地查看，確定衛(wèi)星是否被隕石和太空垃圾擊傷，這是杜絕衛(wèi)星碰撞的第一步。

然而，對(duì)于機(jī)器人來說，這項(xiàng)工作也并不簡單，因?yàn)樘罩袠O強(qiáng)的亮光有可能搞亂機(jī)器人的圖像識(shí)別程序，所以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力對(duì)這種機(jī)器人來說至關(guān)重要。2005年，美國軍方實(shí)驗(yàn)了一個(gè)這種類型的“太空巡視員”。這個(gè)名叫“XSS-11”的衛(wèi)星在太空中運(yùn)行了1年多，拍攝了許多在軌衛(wèi)星的圖像，甚至包括將它送入軌道的“米諾陶1”號(hào)運(yùn)載火箭。然而僅僅靠近衛(wèi)星拍攝圖像是不夠的，要想在軌道上一展身手，太空機(jī)器人必須具備移動(dòng)衛(wèi)星的本領(lǐng)，它要接近目標(biāo)，輕輕移動(dòng)它，并且絕不能制造出新的太空垃圾。

所以，一只能靈巧工作的“抓手”就顯得非常關(guān)鍵了。它要安全地將衛(wèi)星捕獲，又不能有所失誤和弄碎衛(wèi)星，而做到這一點(diǎn)在太空中并不容易。德國科學(xué)家奧蘭阿爾布·舍費(fèi)爾正帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)研制一種“太空抓手”。這位科學(xué)家這樣描述“抓手”在太空中的工作狀態(tài)：“如果你面對(duì)一個(gè)正在翻滾的衛(wèi)星，而你又沒有能夠很好地抓住它，那么它最有可能出現(xiàn)的情況就是翻滾得更加厲害?！?/p>

正因?yàn)槿绱?，人們有關(guān)“太空抓手”的概念便千奇百怪，充滿了奇思妙想，例如能罩住目標(biāo)的“蜘蛛網(wǎng)”、像海葵一樣的機(jī)械夾子等等。在未來，“太空抓手”有望發(fā)展成一個(gè)種類繁多的大家族。

“抓手”要對(duì)付的并不僅僅是衛(wèi)星，它還要面對(duì)各種各樣的太空碎片。這些碎片最有可能出現(xiàn)的地方是地球低軌道，那里和地面的距離小于2000千米，是大量太空垃圾活動(dòng)的地方，其中一半來自航天器的爆炸和碰撞。這些垃圾的危害性并不僅僅表現(xiàn)在容易造成更多的碰撞，它們還在很大程度上阻礙著人類下一步太空計(jì)劃的實(shí)施。根據(jù)歐空局科學(xué)家路易莎-因諾琴蒂的判斷，要保證以后的航天計(jì)劃順利進(jìn)行，人們不得不發(fā)展更加高效的清除太空碎片的技術(shù)。為此，因諾琴蒂研究了許多不同種類的對(duì)付太空碎片的“太空抓手”。其中一件新穎的“抓手”由英國Astfium公司推出，是一種類似魚叉的裝置，安裝在負(fù)責(zé)清理太空垃圾的衛(wèi)星上，用它捕捉太空垃圾的方法就是直接射向需要清除的目標(biāo)。Astrium公司的設(shè)計(jì)者還為“魚叉”連接上了一個(gè)減速裝置，這樣刺向目標(biāo)時(shí)就既能刺穿目標(biāo)的金屬表面。又不會(huì)因過于猛烈而導(dǎo)致目標(biāo)破碎。一旦“魚叉”刺中了目標(biāo)，衛(wèi)星便靠魚叉上的倒鉤將其拉回，并弄進(jìn)大氣層焚毀。

太空機(jī)器人“德克斯特”

地球低軌道的確是未來太空機(jī)器人可以大顯身手的地方，所以科學(xué)家此前的研究也多將重點(diǎn)放在那里。然而，一個(gè)好用的太空“瓦力”還應(yīng)該幫助機(jī)器人清理地球同步軌道。那里是通信衛(wèi)星的工作“專區(qū)”，處于赤道上空35000千米的地方。將那里的失效衛(wèi)星帶進(jìn)地球大氣層焚毀很難辦到，所以在地球同步軌道，衛(wèi)星在用盡燃料前通常將自己提升一定的高度，從而進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的“墓地”軌道。但有些失效衛(wèi)星已經(jīng)無法提升自己了，它們需要外來的幫助才能進(jìn)入“墓地”軌道，這就是美國ViviSat公司正在設(shè)法解決的問題。ViviSat公司設(shè)計(jì)了一種名為“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”的太空船，其職責(zé)是專為在軌衛(wèi)星提升軌道高度或者為它們加注燃料，具體方法是：首先與目標(biāo)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)接，然后展開相應(yīng)的作業(yè)，如為衛(wèi)星提供推力讓失效衛(wèi)星進(jìn)入“墓地”軌道，通過維修或加注燃料恢復(fù)衛(wèi)星的運(yùn)行。這樣一來，衛(wèi)星的壽命就會(huì)大大延長，航天成本也會(huì)大幅度下降了。

為此，科學(xué)家正在展開一項(xiàng)名為“機(jī)器人燃料加注任務(wù)”的研究項(xiàng)目。2012年，一個(gè)名為“德克斯特”的雙臂機(jī)器人在國際空間站上一展身手，它的目的是為一臺(tái)洗衣機(jī)大小的模擬航天器進(jìn)行燃料加注實(shí)驗(yàn)。

“德克斯特”的手是高度靈活的機(jī)械夾子，安裝了內(nèi)置鉗、攝像機(jī)和燈。它的工作可由國際空間站的宇航員控制，也可由地面人員控制。在2012年的早些時(shí)候，“德克斯特”切開了固定在空間站外部的模擬航天器的安全導(dǎo)線，并對(duì)模擬航天器進(jìn)行了晝夜在軌拍照，還將兩個(gè)燃油蓋從模擬衛(wèi)星上移開。領(lǐng)導(dǎo)“機(jī)器人燃料加注任務(wù)”項(xiàng)目的科學(xué)家本杰明·里德認(rèn)為，由于航天器都是形態(tài)各異的，新型航天器又多與此前的航天器有所不同，所以太空機(jī)器人所面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何應(yīng)對(duì)各種變化，適應(yīng)多種任務(wù)，這也是未來太空機(jī)器人的發(fā)展趨勢。

迎接“太空組裝時(shí)代”

然而維修和加注燃料還只能算是太空機(jī)器人工作內(nèi)容的一部分，未來的太空機(jī)器人將會(huì)“成長”為大型航天器的制造者，而它們的工作場所就在太空軌道上。盡管到目前為止還沒有一艘航天器是由太空機(jī)器人組裝而成，但這樣的事情卻已在人們的計(jì)劃之中了。

在美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局執(zhí)行的“鳳凰”計(jì)劃中，科學(xué)家試圖在軌道上實(shí)行各種高技術(shù)含量的操作，如拆卸報(bào)廢衛(wèi)星的可用零部件，組裝新航天器等。這個(gè)計(jì)劃的第一步是在“墓地”軌道上拆卸一個(gè)廢棄了的通訊衛(wèi)星，然后將其中可用的部分加以重新利用。而這里最具價(jià)值的東西是通訊衛(wèi)星上的大型天線，這些天線的壽命通常比衛(wèi)星本身長得多?？茖W(xué)家打算首先拆卸一個(gè)這樣的天線，然后將其安裝在另一個(gè)衛(wèi)星上，服務(wù)于一個(gè)新的動(dòng)力和控制系統(tǒng)，從而使它獲得新的生命?？茖W(xué)家希望2015年能實(shí)施“鳳凰”計(jì)劃的首次發(fā)射，假若這樣的技術(shù)得以成熟，人們便可以考慮在軌道上組裝大型的結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)一種全新的太空服務(wù)產(chǎn)業(yè)了。按照舍費(fèi)爾的說法，太空維修和太空組裝并沒有太大的差別，只是需要太空機(jī)器人的技術(shù)更加成熟罷了。在未來的太空軌道上，太空機(jī)器人可以組裝比現(xiàn)在的地面大型望遠(yuǎn)鏡還要大許多倍的太空望遠(yuǎn)鏡，這種望遠(yuǎn)鏡能夠捕捉宇宙中最遙遠(yuǎn)的光子，觀測最古老的天體，尋找最隱秘的生命跡象，而這樣的望遠(yuǎn)鏡最終還會(huì)越做越大。

除了望遠(yuǎn)鏡外，另一個(gè)誘人的目標(biāo)自然就是在軌道上組裝大型太空船了。1948年，也就是人類第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)入地球軌道的大約10年前，航天技術(shù)的先驅(qū)沃納·馮·布勞恩撰寫了一部科幻小說，他在這部小說中描述了人類登陸火星的宏偉航程，也是他設(shè)想的未來火星之旅。作為一名火箭科學(xué)家，布勞恩詳細(xì)描述了他設(shè)計(jì)的火星航程的全部細(xì)節(jié)。他的火星艦隊(duì)由10艘太空船組成，每艘太空船接近4000噸，全在地球軌道上組裝完成，其組裝的部件由46艘太空船經(jīng)過900余次發(fā)射才得以運(yùn)送到軌道上來。

今天，人們構(gòu)想中的火星任務(wù)并沒有布勞恩設(shè)想的那么龐大，但運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力依然正在大幅度提高。2011年9月，美國航空航天局公布了一份美國新一代重型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)方案，其名稱為“太空發(fā)射系統(tǒng)”，運(yùn)載能力接近航天飛機(jī)的7倍，能將宇航員送往小行星和火星，也能將宇航員和機(jī)器人送到地球同步軌道以修補(bǔ)損壞的通訊衛(wèi)星。根據(jù)設(shè)計(jì)，這種火箭可搭載70噸的重物，而此后還將提高到130噸。

火箭運(yùn)載能力的大幅度提高為人類未來太空機(jī)器人的發(fā)展提供了廣闊的空間，但同時(shí)也是太空機(jī)器人所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，它要求未來的太空“瓦力”一定要非?！奥斆鳌焙头浅！皬?qiáng)壯”。否則便難堪重任。不過科學(xué)家也認(rèn)為，在開始的時(shí)候，太空機(jī)器人所從事的工作依然是很平常的，如拖曳衛(wèi)星、加注燃料之類，但最終它們將承擔(dān)航天業(yè)極其重要和艱巨的任務(wù)。加拿大多倫多大學(xué)太空飛行實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家格蘭特·伯寧說：“現(xiàn)在許多人都相信，我們將不可避免地迎來在太空軌道上組裝航天器的新時(shí)代。”