美国空间对抗新利器－ＦＲＥＮＤ

早在上世纪80年代，许多国家和研究机构已经开始研究利用机器人替代宇航员完成舱外活动和工作的可行性。20多年来，空间机器人的研究在理论和实践两方面都取得了巨大的成就，空间机器人已经在“哈勃”望远镜的修复，国际空间站建造等应用中发挥了主要作用。此外，欧美等国也进行了多次实验型的自主空间机器人的发射，并且在卫星抓捕、航天器部件更换等领域取得了成功。今后，随着技术的进一步发展，空间机器人将应用于未来的空间攻防作战，成为新的空间对抗武器。

何为空间机器人

空间机器人是指具有一体化的空间感知、机动和操作能力，兼有智能自主控制或地面遥操作控制模式，对指定空间目标开展多种操作的一类多功能新型航天器。其主要使命是在太空中实施各种空间操作，为在轨服务奠定基础。

空间机器人可以为己方航天器进行燃料补给来增加在轨卫星的工作寿命；可以对在轨卫星进行升级，扩展在轨卫星的能力；可以使用机器人对卫星进行故障检测和维修，这样可以避免由于卫星出现故障而遭废弃，确保在轨卫星的正常运行。空间机器人也可以对敌方的航天器进行监视操作，准确获取敌方航天器的有效数据，对敌方航天器进行各种形式的软，硬杀伤，大大提高空间对抗能力。

空间机器人有着极强的空间对抗应用潜能。早在2001年1月美国空军进行的第一次“施里弗”空间作战演习中，美军就特别模拟了使用载人航天器的机械臂、空间机器人和军事宇航员直接破坏和劫持敌方卫星和军事航天器的情景。在美国2003年2月举行的“施里弗Ⅱ空间作战演习中，这部分内容得到了进一步的加强。可以预计，随着空间军事化步伐的加快，利用空间机器人对敌方航天器进行接近、监视、捕获乃至攻击的能力将是增强空间作战力量的一个重要手段。目前，各航天大国纷纷制定了相关的研究计划，推动本国空间机器人技术的研究。加拿大的空间机器人技术处于世界领先水平，主要的研究计划包括空间机械臂系统(SRMS)、活动服务系统(MSS)和DEXTRE机器人。目前，加拿大已经制定了长远的发展规划。

日本的空间机器人计划主要有日本实验舱机械手臂(JEMRMS)计划、“工程试验卫星-VII”(ETS—VII)和“H-2转移飞行器”(HTV)计划。

德国在研制空间机器人方面，非常重视机械臂本身的研究，主要计划包括轻型机器人计划、“机器人技术试验”(ROTEX)计划、SLES和TECSAS计划。

美国早期的研制重点是行星表面探测机器人，上世纪80年代制定了“飞行遥控机器人服务者”(FTS)计划，1992年NASA又启动了空间遥操作机器人项目(STP)。进入新世纪后，美国把空间机器人的应用扩展到了军事领域，发展了“轨道快车”和“近期能验证的机器人技术”(FREND)计划。其中“轨道快车”已于2007年4月发射，并成功完成了诸多开创新试验。在“轨道快车”计划后，美国目前重点发展了针对非合作目标的新一代空间机器人计划——FREND。FREND的主要目的是增加卫星的寿命以节省成本，验证在轨自主卫星服务的能力以及太空机器人活动的有效性。FREND最大的特点在于能够实现对非合作目标的捕获，这就使其很容易被改造成为空间武器。而且，FREND最终的运行轨道将在地球同步轨道，这就使美国具备了全轨道高度反卫星的能力。

FREND的结构与工作流程何为FREND

FREND fFron end Robotics Ena-bling Near-Term Demonstration)计划是由美国国防高级研究局(DARPA)负责的一项先进技术演示计划，该项目原名“通用轨道修正航天器”(Spacecraft for the Universal Modification Of Orbits，SUMO)，由美国海军研究实验室空间技术中心(NRL)负责具体开发，联合空间系统公司(ASI)、LLC公司和CA公司作为子承包商负责机器臂的设计与建造。FREND将演示计算机视觉系统、自动机械系统以及自动控制算法的综合集成能力，以期望在未来的空间活动中，完成对航天器的自动对接，捕获、燃料加注、维修等。FREND与以往进行此类操作的航天器最大的不同在于它能够捕获任何一种卫星，而不需要事先在卫星上安装对接装置，同时也不需要给它们做任何标记。

从功能上看，FREND实质上是一种空间机器人。其主要作用包括两方面：(1)对于在设计之初考虑了在轨维修需求的航天器(此类航天器安装有相应的对接和部件替换接口，需进行特殊设计)，能够进行在轨维修、转移并安装轨道替换单元、补充燃料等；(2)对于未考虑在轨维修服务的航天器(普通航天器，包括本国和他国)，能够进行位置保持、姿态控制、轨道推移和修正。

FREND的结构

FREND主要由推进模块和有效载荷模块组成：推进模块包括1个推力为489牛的火箭发动机，6个推力为22牛的姿态控制系统推进器、2个连接的太阳能电池阵，星象跟踪仪、惯性测量单元、2个天地链路系统转发器，全球定位系统接收器及平台处理器。有效载荷模块包括自动对接及捕获系统，具体包括34"7自由度的通用机器臂、计算机视觉系统、3个工具箱、远程获取传感器、以及有效载荷处理器。推进模块与有效载荷模块的功能相互独立，这两个模块按照DARPA的要求，由两个独立的组织分别开发。

FREND的工作过程

根据NRL的信息表明，设计好的FREND将运行在地球同步轨道上，美国未来昂贵的通信卫星将会成为FREND服务的主要对象。按照预想，4个FREND将被部署在环绕地球的暂泊轨道上。在需要执行任务时，控制者将选择离目标卫星最近的FREND在合适的时间使其进入朝向目标卫星的转移轨道。一旦FREND接近到离目标100千米时，远距离传感器将能够发现目标卫星，同时FREND能够使用推进器在软件程序的控制下接近到目标100米的位置。在此位置，FREND的“计算机视觉系统”将开始启动并产生目标的图像。然后算法程序处理目标图像并确定目标的相关姿态——位置和方位。随后，FREND上的计算机利用得到的目标数据导引FREND到距离目标1.5米的位置。在此位置，机器臂将开始进行捕获。复杂的轨道规划软件将告诉FREND的机器臂怎样移动去抓住目标而不会碰撞天线或其它结构。最后，FREND的三个机器臂的末端受动器将插入到用于把卫星连接到火箭的螺栓孔内，按照需求对目标卫星进行各种在轨服务。完成任务后，启动分离程序，FREND离开目标卫星回到暂泊轨道，等待下一次任务的命令。

FREND关键技术

直接捕获技术

FREND和其它类似系统的最主要区别就在于

能够捕获非合作目标，被捕获的目标航天器在设计时无需增加任何专门用于对接的接口和装置。在实际捕获过程中，FREND上三个机械臂的末端受动器(在机器人技术中，末端受动器是一种连接到机器人手臂上的设备或者工具)将在程序的控制下插入到用于把卫星连接到火箭的螺栓孔，并抓住螺栓孔内部。按照设计要求，三个机器臂对于目标卫星的吸力为300磅/英寸²。接下来，连接的机器臂将锁定在此固定连接处，同时为FREND的发动机提供推进力，把卫星拖拽到新的位置。

FREND末端受动器的基本装置包括1个接合环夹钳、螺栓孔抓取器，并行夹钳等。另外，FREND的机器臂拥有7个自由度，这使得末端受动器能进行任意6自由度的定位。

计算机视觉系统

计算机视觉系统为导航，末端受动器的控制等提供基本数据。计算机视觉系统包括20个排列在FREND的框架和三个机器臂上的照相机、照明系统和软件系统。这种系统能够从分布在航天器平台以及机器手末端的20架照相机中选出最优的3架，利用图像处理算法从目标图像中产生目标姿态。

自动控制算法

自动控制算法对于FREND的功能具有重要的作用，NRL主要从三个方面对其进行研究(1)“运动规划，对FREND进行“运动规划”的目的在于使其能在复杂的环境下安全运转。FREND的“运动规划”算法能够为包括拥有21个自由度的3个机器臂在内的系统实时计算并提供运动轨迹。运动轨迹既要能满足动力学约束，还要能避免与空间物体发生碰撞。为此，NRL的研究人员正在为FREND开发一种基于最优控制原理的新型运动规划算法。(2)“适应性控制”，保持FREND的机器臂系统与被捕获目标之间的相互适应性是非常重要的，这种适应性用于阻止FREND以及目标卫星受到损坏，同时还防止由FREND引起目标卫星的意外移动。解决这一问题的方法是增加机械适应装置，比如给末端受动器增加减震器。(3)“基础运动补偿”，在实际操作中，FREND的机器臂并非处于完全静止状态，这对末端受动器的精确定位不利，因此NRL将开发遗传算法以补偿FREND机器臂的移动。

FREN D进展情况

FREN D发展历程

2002年DARPA开始FREND的研制计划。2005年4月，NRL的工程师进行了一系列FREND捕获技术的成功演示试验。2005年11月，FREND项目办公室公开宣布寻求开发FREND适应机器臂的建议，并于次月开始对这些建议进行评估。2006年DARPA将SUMO改名为FREND。改名主要原因在于，DARPA认为使用“轨道修正”这样的词汇对于某些国家可能太敏感，可能会产生不良的影响，另一方面，该项目的研制人员认为该计划近期的重点将以地面试验为主，使用新的名称更为恰当。FREND项目2009财年的预算为1070万美元，如果所有进展顺利，FREND的载荷将在2008年前准备好，随后其将安装在FREND框架内，并且将在2010年进行轨道演示试验。

试验演示情况

2005年4月，在NRL进行的历时3年的FREND研制和建造工作完成了成功的实验室演示，该演示试验使用NRL位于华盛顿的“接近操作试验床”(POTB)来进行。为了此次演示，NRL研制了2个携带发动机的金属平台在其中一个平台上，NRL的工作人员安装了FREND航天器的一部分，主要包括7个照相机和一个简单的不具备飞行条件的机器臂，这些部件与装有FREND控制软件的计算机进行有线连接。另一个平台是波音702卫星平台的仿制卫星。在试验时，技术人员关闭了灯光以模拟空间黑暗的环境，并试验了两个航天器在轨接近的复杂运动以及机器手与模拟目标的对接操作。下一阶段，NRL的工作人员将开始为FREND设计具备飞行条件的机器臂和末端受动器，同时编写飞行软件代码，该软件将在轨控制机器臂和末端受动器。

地面的实验室演示难以精确模拟空间中的真实环境，因此需要进行空间的飞行演示试验。目前还没有确定FREND的具体演示时间，其基本演示计划将包括两个任务：(1)FREND由“飞马-XL”火箭从美国东部发射进入低地球轨道，FREND将对一个作为目标航天器的“飞马-XL”第三级进行严格的自主对接、捕获以及其它服务试验。(2)在对“飞马-XL”火箭第三级的试验结束后，FREND将对一颗废弃的低地球轨道卫星进行自主对接、捕获及推进等试验，该卫星与“飞马-XL”的第三级位于同一轨道。目前美国军方已经选定了将进行试验的低地球轨道卫星，但拒绝透露具体是哪颗卫星。

FREND的应用分析

美国为了确保自己绝对的太空优势不遗余力地发展各类空间技术，FREND是其中的典型代表，同时也体现了当今空间技术的发展方向，有着巨大的商业和军用价值。

商业价值

在轨修复与升级。当航天器某些部件出现故障或者需要升级时，可以使用FREND完成某些部件的替换，从而完成航天器的在轨升级与修复。

燃料补给。使用FREND的捕获技术，可以抓住需要加注燃料的卫星，通过燃料通道对卫星进行燃料补给从而延长卫星寿命。

清除垃圾。废弃的卫星和火箭已经成为航天器运行的威胁之一，可以通过FREND的轨道转移功能把此类垃圾移出轨道，提高航天器的生存能力。

辅助发射。在运载火箭推力有限的条件下，可以发射大型的航天器，包括各种大型有效载荷，然后再使用FREND把它们组装在一起。也就是说，对于体积和重量都超过运载火箭能力的发射任务，完全可由通过FREND来辅助完成发射。

军事价值

虽然DARPA和NRL的工作人员表示，FREND的主要目的是增加卫星的寿命以节省成本，验证在轨自主卫星服务的能力以及太空机器人活动的有效性。但是分析家认为其价值远大于此。美国近5年来，每隔一年都要进行交会对接或者逼近绕飞的试验，从2003年的XSS-10、2005年的XSS-11和DART到2006年的“轨道快车”不难看出，美国对此类技术的重视程度及其未来太空攻防的发展方向。

先进的太空攻防武器

近年来，太空军事化程度愈演愈烈，美国感到自己的太空安全受到了威胁，为此一直在积极探索太空防御。决定研制FREND，可以说是美军对太空防御问题进行长时间思考的结果，其能够很好的用于太空防御。首先，FREND具备强大的轨道转移能力，能够使用机器臂和机械手捕获商业或军用卫星，同时还可以把它们送入新的轨道。这样当探测到威胁时，可以用FREND把卫星拖拽到新的轨道，躲避反卫星武器的攻击进行被动防御。其次，还可以在FREND上安装空间监视装置、攻击告警装置和针对威胁的对抗装置。部署在主卫星周围进行伴飞，当发现有针对卫星的攻击行为时，可以针对攻击进行诱骗、阻挡或拦截等主动防御。

除了太空防御外，FREND的最大特点就在于能够实现对非合作目标的捕获，这就使其很容易被改造成反卫星武器。一方面可以利用FREND的轨道机动和对接能力捕获敌方卫星，使其改变轨道和姿态，这对于突防是非常有效的。而且这种攻击具有“可逆”的优势，需要时还可以把敌方卫星推回原轨道，另一方面，可以使用FREND的机器臂直接与卫星进行碰撞，对其进行硬杀伤破坏。同时，FREND最终的运行轨道将在地球同步轨道，这使得美国可具备全轨道高度的反卫星能力。

实战型太空维修站

FREND具有高度自动化的机械手臂，初步具有替代航天员在太空完成太空维修作业的能力。以往，美国进行太空抢修主要依靠航天员搭乘航天飞机，接近需要修复的航天器，然后实施出舱活动，进行人工维修。然而在战争环境下派遣航天员执行航天器维修任务，无疑是不可能的。无人太空维修技术的军事价值在于，无须冒什么风险就可以对那些在太空交战中受损的高价值航天器进行抢修，提升美军太空战体系的生存力和作战实力。

结束语

FREND的技术一旦成熟并运用于实战，美军将在太空中同时具备攻防两种能力，不仅能够打击对方的航天器，还可以防止己方的航天器被对方袭击，使美军在未来的太空攻防对抗中占据绝对优势，FREND的成功也将触发军事航天技术及应用发展的新一轮变革。美国虽然宣称发展FREND的主要目的是延长卫星寿命、提高卫星生存能力，但其相关技术必将在空间攻防中得到广泛的应用，值得高度关注。