太空軌道上的“機器人總動員”

張唯誠

請“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，人們被迫轉移到太空船上居住，并請機器人清理地球，機器人“瓦力”就這樣干起了清理地球垃圾的工作。在日復一日的單調工作中，“瓦力”漸漸有了意識，開始向往人類的愛情生活。有一天，一個叫“伊娃”的女機器人從天而降，“瓦力”愛上了它，并和“伊娃”一起幫助人類重返地球

這是電影《機器人總動員》中描述的情節。電影中的機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”也請到太空中為地球日益擁擠的衛星軌道“清理垃圾”，科學家大概就不會覺得有多么“科幻”了。因為地球軌道上確實布滿了垃圾，人們現在真的需要“瓦力”這樣的機器人去“清理垃圾”了。

在《機器人總動員》中，堆滿地球的垃圾來自人類高度物質化的地球文明，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星、大小不一的衛星碎片、各種散落于軌道上的衛星零部件等等。這些東西不僅對運行中的衛星構成威脅，還有可能墜人地面。2011年10月，德國的x射線觀測衛星“倫琴”就讓人們大吃一驚。這顆于1999年退役的廢棄衛星重約2噸，于2011年10月23日墜入孟加拉灣。盡管這顆衛星在進入大氣層時燒掉了一部分，但剩余部分依然十分可怕。經過計算，如果“倫琴”再晚10分鐘進入大氣層，那么它的墜落地點就不是孟加拉灣，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。統計表明，現在平均每年都會有一顆衛星被發射到錯誤的軌道上，或者不能有效地啟動重要部件開展工作，這些衛星在它們生命的起始階段就陷入了困境。還有一些衛星用完了它們的燃料，它們的運行生涯也不得不因此而結束。

有沒有辦法糾正衛星上的錯誤呢？有，這就是太空維修。通過太空維修，人們可以為衛星更換部件或者補充燃料，失效的衛星可以重獲新生，廢棄的衛星可以得到清理，這不僅節省了大量金錢，還能保證鄰近衛星的安全，避免衛星碰撞事故的發生。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鏡。事實證明，由人來從事這種工作的優勢是明顯的，因為在太空維修的過程中，預料不到的事時有發生，完全靠程序行事的機器人在那種時候容易“一籌莫展”，而人則能“隨機應變”。在宇航員使用航天飛機五次為哈勃太空望遠鏡實施維修的那段時間，他們也對一些商用衛星實施了維修。毫無疑問，人類在太空維修中的表現是非常出色的。

“太空巡視員”與“太空魚叉”

然而，2003年的“哥倫比亞”號失事悲劇，使人們變得謹慎起來，他們意識到，把宇航員送到太空軌道上從事維修工作是危險的，而使用機器人風險就會小得多。與此同時，近10年來的科技進步也為機器人進入太空維修領域打下了堅實的基礎，這預示著，人們確實可以考慮讓“瓦力”這樣的機器人在太空中大顯身手了。

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

然而，對于機器人來說，這項工作也并不簡單，因為太空中極強的亮光有可能搞亂機器人的圖像識別程序，所以強大的數據處理能力對這種機器人來說至關重要。2005年，美國軍方實驗了一個這種類型的“太空巡視員”。這個名叫“XSS-11”的衛星在太空中運行了1年多，拍攝了許多在軌衛星的圖像，甚至包括將它送入軌道的“米諾陶1”號運載火箭。然而僅僅靠近衛星拍攝圖像是不夠的，要想在軌道上一展身手，太空機器人必須具備移動衛星的本領，它要接近目標，輕輕移動它，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”就顯得非常關鍵了。它要安全地將衛星捕獲，又不能有所失誤和弄碎衛星，而做到這一點在太空中并不容易。德國科學家奧蘭阿爾布·舍費爾正帶領他的團隊研制一種“太空抓手”。這位科學家這樣描述“抓手”在太空中的工作狀態：“如果你面對一個正在翻滾的衛星，而你又沒有能夠很好地抓住它，那么它最有可能出現的情況就是翻滾得更加厲害。”

正因為如此，人們有關“太空抓手”的概念便千奇百怪，充滿了奇思妙想，例如能罩住目標的“蜘蛛網”、像海葵一樣的機械夾子等等。在未來，“太空抓手”有望發展成一個種類繁多的大家族。

“抓手”要對付的并不僅僅是衛星，它還要面對各種各樣的太空碎片。這些碎片最有可能出現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劃的實施。根據歐空局科學家路易莎-因諾琴蒂的判斷，要保證以后的航天計劃順利進行，人們不得不發展更加高效的清除太空碎片的技術。為此，因諾琴蒂研究了許多不同種類的對付太空碎片的“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，安裝在負責清理太空垃圾的衛星上，用它捕捉太空垃圾的方法就是直接射向需要清除的目標。Astrium公司的設計者還為“魚叉”連接上了一個減速裝置，這樣刺向目標時就既能刺穿目標的金屬表面。又不會因過于猛烈而導致目標破碎。一旦“魚叉”刺中了目標，衛星便靠魚叉上的倒鉤將其拉回，并弄進大氣層焚毀。

太空機器人“德克斯特”

地球低軌道的確是未來太空機器人可以大顯身手的地方，所以科學家此前的研究也多將重點放在那里。然而，一個好用的太空“瓦力”還應該幫助機器人清理地球同步軌道。那里是通信衛星的工作“專區”，處于赤道上空35000千米的地方。將那里的失效衛星帶進地球大氣層焚毀很難辦到，所以在地球同步軌道，衛星在用盡燃料前通常將自己提升一定的高度，從而進入一個穩定的“墓地”軌道。但有些失效衛星已經無法提升自己了，它們需要外來的幫助才能進入“墓地”軌道，這就是美國ViviSat公司正在設法解決的問題。ViviSat公司設計了一種名為“任務擴展飛行器”的太空船，其職責是專為在軌衛星提升軌道高度或者為它們加注燃料，具體方法是：首先與目標衛星實現對接，然后展開相應的作業，如為衛星提供推力讓失效衛星進入“墓地”軌道，通過維修或加注燃料恢復衛星的運行。這樣一來，衛星的壽命就會大大延長，航天成本也會大幅度下降了。

為此，科學家正在展開一項名為“機器人燃料加注任務”的研究項目。2012年，一個名為“德克斯特”的雙臂機器人在國際空間站上一展身手，它的目的是為一臺洗衣機大小的模擬航天器進行燃料加注實驗。

“德克斯特”的手是高度靈活的機械夾子，安裝了內置鉗、攝像機和燈。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線，并對模擬航天器進行了晝夜在軌拍照，還將兩個燃油蓋從模擬衛星上移開。領導“機器人燃料加注任務”項目的科學家本杰明·里德認為，由于航天器都是形態各異的，新型航天器又多與此前的航天器有所不同，所以太空機器人所面臨的最大挑戰就是如何應對各種變化，適應多種任務，這也是未來太空機器人的發展趨勢。

迎接“太空組裝時代”

然而維修和加注燃料還只能算是太空機器人工作內容的一部分，未來的太空機器人將會“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器人組裝而成，但這樣的事情卻已在人們的計劃之中了。

在美國國防部高級研究計劃局執行的“鳳凰”計劃中，科學家試圖在軌道上實行各種高技術含量的操作，如拆卸報廢衛星的可用零部件，組裝新航天器等。這個計劃的第一步是在“墓地”軌道上拆卸一個廢棄了的通訊衛星，然后將其中可用的部分加以重新利用。而這里最具價值的東西是通訊衛星上的大型天線，這些天線的壽命通常比衛星本身長得多。科學家打算首先拆卸一個這樣的天線，然后將其安裝在另一個衛星上，服務于一個新的動力和控制系統，從而使它獲得新的生命。科學家希望2015年能實施“鳳凰”計劃的首次發射，假若這樣的技術得以成熟，人們便可以考慮在軌道上組裝大型的結構，開創一種全新的太空服務產業了。按照舍費爾的說法，太空維修和太空組裝并沒有太大的差別，只是需要太空機器人的技術更加成熟罷了。在未來的太空軌道上，太空機器人可以組裝比現在的地面大型望遠鏡還要大許多倍的太空望遠鏡，這種望遠鏡能夠捕捉宇宙中最遙遠的光子，觀測最古老的天體，尋找最隱秘的生命跡象，而這樣的望遠鏡最終還會越做越大。

除了望遠鏡外，另一個誘人的目標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星進入地球軌道的大約10年前，航天技術的先驅沃納·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，也是他設想的未來火星之旅。作為一名火箭科學家，布勞恩詳細描述了他設計的火星航程的全部細節。他的火星艦隊由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艘太空船經過900余次發射才得以運送到軌道上來。

今天，人們構想中的火星任務并沒有布勞恩設想的那么龐大，但運載火箭的運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載火箭的設計方案，其名稱為“太空發射系統”，運載能力接近航天飛機的7倍，能將宇航員送往小行星和火星，也能將宇航員和機器人送到地球同步軌道以修補損壞的通訊衛星。根據設計，這種火箭可搭載70噸的重物，而此后還將提高到130噸。

火箭運載能力的大幅度提高為人類未來太空機器人的發展提供了廣闊的空間，但同時也是太空機器人所面臨的嚴峻挑戰，它要求未來的太空“瓦力”一定要非常“聰明”和非常“強壯”。否則便難堪重任。不過科學家也認為，在開始的時候，太空機器人所從事的工作依然是很平常的，如拖曳衛星、加注燃料之類，但最終它們將承擔航天業極其重要和艱巨的任務。加拿大多倫多大學太空飛行實驗室的科學家格蘭特·伯寧說：“現在許多人都相信，我們將不可避免地迎來在太空軌道上組裝航天器的新時代。”