Роботы на орбите
Космическая робототехника – одно их самых перспективных направлений развития современной космонавтики.
Статья журнала ВКС, №2 (87) октябрь 2016
К основным робототехническим системам космического назначения относятся роботы для технического обслуживания, ремонта, дозаправки орбитальных космических аппаратов; устройства для работы снаружи и внутри космических кораблей и планетоходы.
Первые планетоходы
Психофизические ограничения не позволяют человеку справляться со многими видами работ в космосе, поэтому их выполнение поручается автоматическим системам.
Первыми реальными примерами применения средств робототехники в космическом пространстве являются манипуляторы для взятия проб грунта советскими и американскими космическими кораблями, осуществившими посадку на поверхность Луны, Марса и Венеры.
Автоматические межпланетные станции, планетоходы являются, по сути, сложными интеллектуальными роботами, поскольку из-за больших задержек передачи сигнала телеуправление ими в реальном времени практически невозможно. Примером использования роботов в открытом космосе являются манипуляционные роботы многоразовых космических кораблей.
Одной из современных проблем эксплуатации ракетно-космической техники является обеспечение заданного срока активного существования на орбите. Ограниченный запас рабочего тела, а также нештатные ситуации, возникающие в процессе полёта космических аппаратов, заключающиеся в отказах элементов бортовых систем, деградации солнечных батарей, износе элементов конструкции, существенно снижают заданный срок их успешного функционирования на орбите.
Перспективным путём решения этой проблемы является создание и применение специальных космических аппаратов – космических роботов, обладающих свойствами локомоции (маневрирования относительно обслуживаемого объекта), манипуляции (проведения специальных операций по замене элементов и узлов объекта), способностями самостоятельного принятия решения в условиях априорной неопределённости и тем самым обеспечивающих диагностику, ремонт, модернизацию, адаптацию космического аппарата (КА) к различным целевым задачам.
В развитых космических державах активно ведутся работы по проектам создания космических аппаратов‑инспекторов (КАИ), обеспечивающих дистанционный мониторинг, диагностику и обслуживание различных орбитальных объектов.
.jpg)
Примеры космических аппаратов-инспекторов
Перспективный проект последнего времени в этой области – разрабатываемая США космическая система Orbital Express, предназначенная для проведения ремонтно-восстановительных и заправочных операций.
Применение технологии орбитального обслуживания космических средств целесообразно в отношении достаточно больших и дорогих космических аппаратов, требующих длительного (10–20 лет) существования на орбите. К таким аппаратам, прежде всего, относится Международная космическая станция. Кроме того, осуществление этой технологии возможно в случае использования КА, имеющих модульную структуру и приспособленных к ремонту, модернизации и реконфигурации в условиях орбитального полёта. Прототипом таких КА являются унифицированные космические платформы, нашедшие широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом. Принципиальным отличием нового подхода к построению унифицированных космических платформ является возможность их адаптации и модернизации в условиях орбитального полёта.
Почему Россия отстаёт в космическом роботостроении
Обобщённый анализ современного состояния в области разработки, создания и применения космических робототехнических комплексов и систем (КРТКС) показал, что в мире проводится широкий спектр работ в этом направлении.
Создание автономных робототехнических комплексов является одним из актуальных направлений по развитию космической деятельности США и ряда других государств. Специалисты НАСА считают, что робототехнические и автономные системы в ближайшее десятилетие займут фундаментальное место в области исследования космоса человеком.
Несмотря на то, что в настоящее время в России имеется богатый научно-технический и промышленный потенциал, позволяющий создавать и совершенствовать объекты ракетно-космической техники, за последние 20 лет в области разработки, создания и применения КРТКС наметилось серьёзное отставание нашей страны от ведущих западных стран. Это отставание связано, в первую очередь, с отсутствием технологической и нормативно-правовой базы в области разработки, создания и применения КРТКС. В существующих концепциях, комплексных целевых программах, а также других руководящих и методических документах в данной предметной области космические робототехнические комплексы не упоминаются. Это обусловлено отсутствием чёткой терминологической базы по КРТКС и их классификации.
.jpg)
Примером использования роботов в открытом космосе являются манипуляционные роботы многоразовых космических кораблей «Буран» и «Спейс Шаттл». Такие роботы позволяют перемещать в космическом пространстве различные объекты, а также фиксировать положение корабля относительно других объектов. На Земле эти манипуляторы не могут поднять даже собственный вес, зато в космосе являются очень эффективными.Для обслуживания МКС специалистами NASA разработан проект наноробота MiniAERCam массой 5 кг. Робот оснащён 12 электроракетными двигателями, работающими на ксеноне и предназначенными для перемещения робота вокруг и внутри станции.Для использования на МКС NASA также предложило летающий робот в форме небольшого куба с закруглёнными гранями. Предполагается, что робот будет оснащён манипулятором, микрофоном, видеокамерой, другими датчиками, будет отслеживать качество воздуха, уровень шума, выполнять функции робота телеприсутствия для специалистов Центра управления полётами.
Возможные способы применения
- cовершение космическими роботами манёвров инспектирования (подлёт, облёт, зависание, пролёт) орбитальных объектов, получение информации, её обработка, передача на Землю и принятие решения о дальнейших действиях либо самостоятельно, либо по командам оператора;
- эскортирование орбитальных объектов и защита их от внешнего воздействия в случае опасности;
- техническое обслуживание космических аппаратов и других орбитальных объектов для обеспечения заданного срока функционирования орбитальной группировки;
- сборка на орбите больших конструкций (платформ, антенн, телескопов);
- построение и обслуживание баз на других планетах.
Операции технического обслуживания отечественных космических аппаратов могут проводиться двумя способами: либо путём непосредственной работы космических роботов с обслуживаемым КА, либо путём их использования для транспортирования КА с его орбиты функционирования на робототехническую платформу обслуживания и после проведения обслуживания КА робототехническими средствами платформы доставки обратно на орбиту. В качестве вариантов обслуживания автоматического КА, реализуемых в ближайшее время, целесообразно рассматривать доставку и дозаправку топливом, а также замену панелей солнечных батарей.
Реализация этих способов может осуществляться либо одним космическим роботом, либо дуэтом, либо группой космических роботов. Применение космических роботов видится в двух вариантах:
- один из космических роботов используется в качестве наблюдателя, второй – для непосредственного выполнения поставленной задачи;
- один из космических роботов используется в качестве базы, второй – для непосредственного выполнения поставленной задачи («сумчатая команда»).
Групповое применение космических роботов возможно также в двух вариантах:
- выполнение поставленной задачи с использованием тактики «роя» («волчьей стаи»);
- формирование функционально законченного объекта (например, антенны больших размеров) из группы специальным образом построенных и взаимодействующих между собой малых космических роботов.
С точки зрения оперативности решения целевых задач, возлагаемых на КРТКС, а также повышения устойчивости функционирования подобного рода комплексов и систем, применение одиночного космического робота является менее предпочтительным.
.jpg)
Из чего состоит космический робот?
Функциональная схема космического робота. Робот состоит из следующих основных компонентов:
- исполнительная система;
- информационная (сенсорная) система;
- управляющая система;
- коммуникационная система (система связи);
- обеспечивающие системы.
Известно, что человек совершает во внешней среде два вида движений – манипуляции и локомоции. Манипуляция – это движение рук при выполнении какой-либо работы. Локомоция – движение всего тела для осуществления перемещения во внешней среде. Человек перемещается с помощью ног, но иногда использует и руки (ползание, лазание, плавание). В соответствии с этим исполнительная система робота включает в себя: манипуляционную и локомоционную.
Основным элементом манипуляционной системы являются механические манипуляторы. Они представляют собой пространственные механизмы в виде кинематических цепей из звеньев, образующих кинематические пары с угловым или поступательным относительным движением и системой приводов, обычно раздельных для каждой степени подвижности.
Локомоционная система наряду с манипуляционной образует систему передвижения робота. В современных мобильных роботах нашли применение практически все известные транспортные средства. Основной специфической частью всех систем передвижения являются движители. В космических роботах в качестве движителя используются прежде всего различного типа реактивные двигатели.
Информационная система включает датчики внутренней информации, конструктивно встроенные обычно в механическую систему, и датчики внешней информации (сенсоры), сигнализирующие о состоянии внешней среды.
Управляющая система включает в себя микропроцессоры или компьютеры для обработки информации, поступающей от информационной системы, и формирования сигналов управления на исполнительную систему с использованием встроенного программного обеспечения, а также электронные преобразователи цифровых и аналоговых сигналов, усилители, другие электронные блоки.
Коммуникационная система (система связи) состоит из каналов прямой и обратной связи внутри робота и внешнего интерфейса для связи робота с оператором и другими роботами для организации группового (коллективного) поведения роботов.
Обеспечивающие системы предназначены для создания условий нормального функционирования робота. В их состав обязательно входит энергетическая система, а также может входить система обеспечения теплового режима. Понятия «среда» или «внешняя среда» включают, например, объекты манипулирования, препятствия, параметры температуры, уровень радиоактивности. Состояние дел в космической индустрии сегодня таково, что позволяет говорить о возможности создания космического робота любого целевого назначения, несмотря на то, что не все проблемы ещё решены до конца. Об этом свидетельствуют достижения в области разработок исполнительных, информационных (сенсорных), управляющих, коммуникационных (связных) и обеспечивающих систем роботов. В качестве одной из критичных систем робототехнических комплексов является система бортовой энергетики.
Разработанная функциональная схема робота позволяет наглядно представить основные системы, входящие в его состав, связи между ними, а также порядок его взаимодействия с внешними объектами.
КОСМИЧЕСКИЙ РОБОТ – техническое устройство, предназначенное для функционирования в космическом пространстве и способное за счёт автоматического воспроизведения (имитации) сенсорных, управляющих, двигательных и коммуникационных функций человека выполнять целевые задачи в соответствии с назначением космического робототехнического комплекса.
КОСМИЧЕСКИЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС – совокупность функционально взаимосвязанных элементов: космического робота (роботов), наземных технических средств и сооружений, предназначенных для технического обслуживания, транспортирования, хранения, приведения и поддержания в готовности к выведению на орбиту космического робота (роботов), а также управления им (ими) в полёте.
КОСМИЧЕСКАЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА – совокупность нескольких космических робототехнических комплексов, взаимодействующих между собой для достижения поставленной цели.
Основные критические технологии создания
Решение вышеперечисленных задач невозможно без разработки и отработки технологии управления космическими роботами, обеспечения связи между ними, решения задач навигации, поиска революционных конструктивных и энергетических решений построения космических аппаратов с возможностью реконфигурации их элементов.
Ключевыми критическими технологиями создания и применения КРТКС представляются следующие:
- методология автономного управления относительным движением космических роботов в окрестности обслуживаемого орбитального объекта;
- методология относительной навигации космических роботов в окрестности обслуживаемых орбитальных объектов;
- технология группового управления процессом функционирования космических робототехнических комплексов и систем;
- технология изготовления съёмной и реконфигурируемой конструкции обслуживаемых космических аппаратов.
Создание и применение КРТКС в современных условиях возможно путём отработки перечисленных технологий на основе эволюционного подхода – от простого к сложному, что создаст фундаментальную основу для развития и совершенствования ракетно‑космической техники будущего.
4001 
