太空轨道上的“机器人总动员”

张唯诚

请“瓦力”上太空

许多年以后，地球上堆满了垃圾，变得荒无人烟，草木不生，人们被迫转移到太空船上居住，并请机器人清理地球，机器人“瓦力”就这样干起了清理地球垃圾的工作。在日复一日的单调工作中，“瓦力”渐渐有了意识，开始向往人类的爱情生活。有一天，一个叫“伊娃”的女机器人从天而降，“瓦力”爱上了它，并和“伊娃”一起帮助人类重返地球

这是电影《机器人总动员》中描述的情节。电影中的机器人有了浪漫的爱情，自然很“科幻”。然而，假若去掉浪漫，将“堆满垃圾”这样的描述放到太空中，再将“瓦力”也请到太空中为地球日益拥挤的卫星轨道“清理垃圾”，科学家大概就不会觉得有多么“科幻”了。因为地球轨道上确实布满了垃圾，人们现在真的需要“瓦力”这样的机器人去“清理垃圾”了。

在《机器人总动员》中，堆满地球的垃圾来自人类高度物质化的地球文明，而今天遍布地球轨道上的“太空垃圾”也同样如此，它们包括各种退役和失效的人造卫星、大小不一的卫星碎片、各种散落于轨道上的卫星零部件等等。这些东西不仅对运行中的卫星构成威胁，还有可能坠人地面。2011年10月，德国的x射线观测卫星“伦琴”就让人们大吃一惊。这颗于1999年退役的废弃卫星重约2吨，于2011年10月23日坠入孟加拉湾。尽管这颗卫星在进入大气层时烧掉了一部分，但剩余部分依然十分可怕。经过计算，如果“伦琴”再晚10分钟进入大气层，那么它的坠落地点就不是孟加拉湾，而是北京了。

幸亏这样的事目前并不是很多，但情况却正在变得越来越糟。统计表明，现在平均每年都会有一颗卫星被发射到错误的轨道上，或者不能有效地启动重要部件开展工作，这些卫星在它们生命的起始阶段就陷入了困境。还有一些卫星用完了它们的燃料，它们的运行生涯也不得不因此而结束。

有没有办法纠正卫星上的错误呢？有，这就是太空维修。通过太空维修，人们可以为卫星更换部件或者补充燃料，失效的卫星可以重获新生，废弃的卫星可以得到清理，这不仅节省了大量金钱，还能保证邻近卫星的安全，避免卫星碰撞事故的发生。在此前，太空维修多由宇航员来完成，其中令人瞩目的成就便是宇航员成功地在太空中维修了哈勃太空望远镜。事实证明，由人来从事这种工作的优势是明显的，因为在太空维修的过程中，预料不到的事时有发生，完全靠程序行事的机器人在那种时候容易“一筹莫展”，而人则能“随机应变”。在宇航员使用航天飞机五次为哈勃太空望远镜实施维修的那段时间，他们也对一些商用卫星实施了维修。毫无疑问，人类在太空维修中的表现是非常出色的。

“太空巡视员”与“太空鱼叉”

然而，2003年的“哥伦比亚”号失事悲剧，使人们变得谨慎起来，他们意识到，把宇航员送到太空轨道上从事维修工作是危险的，而使用机器人风险就会小得多。与此同时，近10年来的科技进步也为机器人进入太空维修领域打下了坚实的基础，这预示着，人们确实可以考虑让“瓦力”这样的机器人在太空中大显身手了。

科学家认为，对于太空版的“瓦力”来说，最简单的工作就是做一个“巡视员”，即检查轨道上的卫星是否出现了损坏。它要接近卫星，前前后后地查看，确定卫星是否被陨石和太空垃圾击伤，这是杜绝卫星碰撞的第一步。

然而，对于机器人来说，这项工作也并不简单，因为太空中极强的亮光有可能搞乱机器人的图像识别程序，所以强大的数据处理能力对这种机器人来说至关重要。2005年，美国军方实验了一个这种类型的“太空巡视员”。这个名叫“XSS-11”的卫星在太空中运行了1年多，拍摄了许多在轨卫星的图像，甚至包括将它送入轨道的“米诺陶1”号运载火箭。然而仅仅靠近卫星拍摄图像是不够的，要想在轨道上一展身手，太空机器人必须具备移动卫星的本领，它要接近目标，轻轻移动它，并且绝不能制造出新的太空垃圾。

所以，一只能灵巧工作的“抓手”就显得非常关键了。它要安全地将卫星捕获，又不能有所失误和弄碎卫星，而做到这一点在太空中并不容易。德国科学家奥兰阿尔布·舍费尔正带领他的团队研制一种“太空抓手”。这位科学家这样描述“抓手”在太空中的工作状态：“如果你面对一个正在翻滚的卫星，而你又没有能够很好地抓住它，那么它最有可能出现的情况就是翻滚得更加厉害。”

正因为如此，人们有关“太空抓手”的概念便千奇百怪，充满了奇思妙想，例如能罩住目标的“蜘蛛网”、像海葵一样的机械夹子等等。在未来，“太空抓手”有望发展成一个种类繁多的大家族。

“抓手”要对付的并不仅仅是卫星，它还要面对各种各样的太空碎片。这些碎片最有可能出现的地方是地球低轨道，那里和地面的距离小于2000千米，是大量太空垃圾活动的地方，其中一半来自航天器的爆炸和碰撞。这些垃圾的危害性并不仅仅表现在容易造成更多的碰撞，它们还在很大程度上阻碍着人类下一步太空计划的实施。根据欧空局科学家路易莎-因诺琴蒂的判断，要保证以后的航天计划顺利进行，人们不得不发展更加高效的清除太空碎片的技术。为此，因诺琴蒂研究了许多不同种类的对付太空碎片的“太空抓手”。其中一件新颖的“抓手”由英国Astfium公司推出，是一种类似鱼叉的装置，安装在负责清理太空垃圾的卫星上，用它捕捉太空垃圾的方法就是直接射向需要清除的目标。Astrium公司的设计者还为“鱼叉”连接上了一个减速装置，这样刺向目标时就既能刺穿目标的金属表面。又不会因过于猛烈而导致目标破碎。一旦“鱼叉”刺中了目标，卫星便靠鱼叉上的倒钩将其拉回，并弄进大气层焚毁。

太空机器人“德克斯特”

地球低轨道的确是未来太空机器人可以大显身手的地方，所以科学家此前的研究也多将重点放在那里。然而，一个好用的太空“瓦力”还应该帮助机器人清理地球同步轨道。那里是通信卫星的工作“专区”，处于赤道上空35000千米的地方。将那里的失效卫星带进地球大气层焚毁很难办到，所以在地球同步轨道，卫星在用尽燃料前通常将自己提升一定的高度，从而进入一个稳定的“墓地”轨道。但有些失效卫星已经无法提升自己了，它们需要外来的帮助才能进入“墓地”轨道，这就是美国ViviSat公司正在设法解决的问题。ViviSat公司设计了一种名为“任务扩展飞行器”的太空船，其职责是专为在轨卫星提升轨道高度或者为它们加注燃料，具体方法是：首先与目标卫星实现对接，然后展开相应的作业，如为卫星提供推力让失效卫星进入“墓地”轨道，通过维修或加注燃料恢复卫星的运行。这样一来，卫星的寿命就会大大延长，航天成本也会大幅度下降了。

为此，科学家正在展开一项名为“机器人燃料加注任务”的研究项目。2012年，一个名为“德克斯特”的双臂机器人在国际空间站上一展身手，它的目的是为一台洗衣机大小的模拟航天器进行燃料加注实验。

“德克斯特”的手是高度灵活的机械夹子，安装了内置钳、摄像机和灯。它的工作可由国际空间站的宇航员控制，也可由地面人员控制。在2012年的早些时候，“德克斯特”切开了固定在空间站外部的模拟航天器的安全导线，并对模拟航天器进行了昼夜在轨拍照，还将两个燃油盖从模拟卫星上移开。领导“机器人燃料加注任务”项目的科学家本杰明·里德认为，由于航天器都是形态各异的，新型航天器又多与此前的航天器有所不同，所以太空机器人所面临的最大挑战就是如何应对各种变化，适应多种任务，这也是未来太空机器人的发展趋势。

迎接“太空组装时代”

然而维修和加注燃料还只能算是太空机器人工作内容的一部分，未来的太空机器人将会“成长”为大型航天器的制造者，而它们的工作场所就在太空轨道上。尽管到目前为止还没有一艘航天器是由太空机器人组装而成，但这样的事情却已在人们的计划之中了。

在美国国防部高级研究计划局执行的“凤凰”计划中，科学家试图在轨道上实行各种高技术含量的操作，如拆卸报废卫星的可用零部件，组装新航天器等。这个计划的第一步是在“墓地”轨道上拆卸一个废弃了的通讯卫星，然后将其中可用的部分加以重新利用。而这里最具价值的东西是通讯卫星上的大型天线，这些天线的寿命通常比卫星本身长得多。科学家打算首先拆卸一个这样的天线，然后将其安装在另一个卫星上，服务于一个新的动力和控制系统，从而使它获得新的生命。科学家希望2015年能实施“凤凰”计划的首次发射，假若这样的技术得以成熟，人们便可以考虑在轨道上组装大型的结构，开创一种全新的太空服务产业了。按照舍费尔的说法，太空维修和太空组装并没有太大的差别，只是需要太空机器人的技术更加成熟罢了。在未来的太空轨道上，太空机器人可以组装比现在的地面大型望远镜还要大许多倍的太空望远镜，这种望远镜能够捕捉宇宙中最遥远的光子，观测最古老的天体，寻找最隐秘的生命迹象，而这样的望远镜最终还会越做越大。

除了望远镜外，另一个诱人的目标自然就是在轨道上组装大型太空船了。1948年，也就是人类第一颗人造卫星进入地球轨道的大约10年前，航天技术的先驱沃纳·冯·布劳恩撰写了一部科幻小说，他在这部小说中描述了人类登陆火星的宏伟航程，也是他设想的未来火星之旅。作为一名火箭科学家，布劳恩详细描述了他设计的火星航程的全部细节。他的火星舰队由10艘太空船组成，每艘太空船接近4000吨，全在地球轨道上组装完成，其组装的部件由46艘太空船经过900余次发射才得以运送到轨道上来。

今天，人们构想中的火星任务并没有布劳恩设想的那么庞大，但运载火箭的运载能力依然正在大幅度提高。2011年9月，美国航空航天局公布了一份美国新一代重型运载火箭的设计方案，其名称为“太空发射系统”，运载能力接近航天飞机的7倍，能将宇航员送往小行星和火星，也能将宇航员和机器人送到地球同步轨道以修补损坏的通讯卫星。根据设计，这种火箭可搭载70吨的重物，而此后还将提高到130吨。

火箭运载能力的大幅度提高为人类未来太空机器人的发展提供了广阔的空间，但同时也是太空机器人所面临的严峻挑战，它要求未来的太空“瓦力”一定要非常“聪明”和非常“强壮”。否则便难堪重任。不过科学家也认为，在开始的时候，太空机器人所从事的工作依然是很平常的，如拖曳卫星、加注燃料之类，但最终它们将承担航天业极其重要和艰巨的任务。加拿大多伦多大学太空飞行实验室的科学家格兰特·伯宁说：“现在许多人都相信，我们将不可避免地迎来在太空轨道上组装航天器的新时代。”