賈 平，李 云，劉 笛，特日格樂

(中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048)

0 引言

自由飛行太空機(jī)器人是可在太空環(huán)境下工作的一類新型機(jī)器人，通常具有一定自主、感知和機(jī)動(dòng)能力，可通過機(jī)械臂等執(zhí)行機(jī)構(gòu)為航天器提供延壽、在軌裝配和壽命終期離軌等服務(wù)。近年，隨著航天器的高可靠、長(zhǎng)壽命、快速部署等需求持續(xù)增長(zhǎng)，機(jī)械臂、人工智能等技術(shù)不斷進(jìn)步，美國自由飛行太空機(jī)器人(后文簡(jiǎn)稱太空機(jī)器人)呈現(xiàn)出項(xiàng)目多、領(lǐng)域全、進(jìn)展快、持續(xù)進(jìn)步的活躍發(fā)展態(tài)勢(shì)。商業(yè)公司已于2020年實(shí)現(xiàn)全球首次工程應(yīng)用，政府和軍方也將在2022年后陸續(xù)開展系統(tǒng)在軌驗(yàn)證。通過緊密的軍民協(xié)作，美國正引領(lǐng)全球太空機(jī)器人發(fā)展方向，充分挖掘其平戰(zhàn)兩用潛能。

1 發(fā)展現(xiàn)狀與特點(diǎn)

美國在21世紀(jì)初利用諸多小衛(wèi)星驗(yàn)證了在軌交會(huì)對(duì)接技術(shù)，通過機(jī)械臂專項(xiàng)驗(yàn)證了機(jī)械臂操作技術(shù)，并將相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)移至后續(xù)太空機(jī)器人項(xiàng)目[1]。目前，美國太空機(jī)器人項(xiàng)目按功能主要分為三類：一是用于在軌加注推進(jìn)劑、維修維護(hù)、輔助控制姿態(tài)和軌道等的服務(wù)保障類；二是用于制造裝配航天器零部件和大型結(jié)構(gòu)的在軌制造與裝配類；三是用于移除太空碎片的太空環(huán)境治理類。軍方、政府和商業(yè)界將開展以上項(xiàng)目過程中積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)用于支撐全球首套無人在軌操作標(biāo)準(zhǔn)的制定，從而促進(jìn)太空機(jī)器人的發(fā)展。

1.1 服務(wù)保障類率先實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用

美國太空機(jī)器人的服務(wù)保障能力世界領(lǐng)先，于2007年完成針對(duì)低軌、合作目標(biāo)(1)合作目標(biāo)通常具有如下特性：姿態(tài)可控、有合作對(duì)接接口和標(biāo)識(shí)、可傳遞相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，非合作目標(biāo)相反。、主要以遙操作(2)自主水平從低到高如下：遙操作、個(gè)體自主操作(人員監(jiān)控下的個(gè)體自主、個(gè)體完全自主)、群體智能協(xié)同。模式運(yùn)行的在軌模塊更換和推進(jìn)劑加注試驗(yàn)。目前主要研究：針對(duì)具有部分非合作特性的目標(biāo)進(jìn)行操作；以遙操作模式和人員監(jiān)控下的自主模式運(yùn)行；在高軌進(jìn)行多功能操作、在低軌加注推進(jìn)劑、在高軌輔助控制姿態(tài)和軌道。其中具有在高軌輔助控制姿態(tài)和軌道功能的機(jī)器人已于2020年率先實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，其他將在2022年后陸續(xù)開展系統(tǒng)在軌驗(yàn)證。

多功能操作方面，DARPA通過“公私合作伙伴關(guān)系”開展的“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”項(xiàng)目研制的機(jī)器人具有檢查、維修、輔助變軌以及升級(jí)(安裝附加有效載荷)等多種功能，可針對(duì)無專門交會(huì)對(duì)接接口或抓捕點(diǎn)的目標(biāo)進(jìn)行操作[2]。其平臺(tái)將在諾斯羅普·格魯曼(以下簡(jiǎn)稱諾格)公司“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”衍生型號(hào)的平臺(tái)基礎(chǔ)上研制。機(jī)械臂由軍兵種實(shí)驗(yàn)室研制，2020年進(jìn)行總裝。該機(jī)器人將在完成在軌驗(yàn)證后由諾格公司運(yùn)營。在軌加注方面，NASA的“機(jī)器人推進(jìn)劑加注”項(xiàng)目近年在國際空間站外部開展了多次關(guān)鍵技術(shù)在軌試驗(yàn)[3]，“在軌服務(wù)、裝配與制造任務(wù)”-1 項(xiàng)目繼承了該項(xiàng)目驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)，已完成平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，未來相關(guān)技術(shù)將轉(zhuǎn)移給商業(yè)公司，兩個(gè)項(xiàng)目都可針對(duì)無專門加注接口的目標(biāo)進(jìn)行操作，“在軌服務(wù)、裝配與制造任務(wù)”-1還與DARPA的“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”項(xiàng)目開展了技術(shù)交流[4]；輔助控制姿態(tài)和軌道方面，諾格公司的“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”-1機(jī)器人于2020年4月使耗盡推進(jìn)劑的“國際通信衛(wèi)星”-901在地球靜止軌道恢復(fù)運(yùn)行，將以充當(dāng)姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)的方式為其服務(wù)5年，預(yù)計(jì)之后還將為其他衛(wèi)星累計(jì)服務(wù)10年。諾格公司稱該機(jī)器人可與80%以上地球靜止軌道衛(wèi)星對(duì)接[5]。

圖1 “任務(wù)擴(kuò)展飛行器”在軌服務(wù)概念圖

服務(wù)保障類項(xiàng)目發(fā)展具有如下特點(diǎn)：一是軍民商各有側(cè)重，DARPA關(guān)注高軌多功能一體化，NASA關(guān)注低軌在軌加注，商業(yè)公司關(guān)注高軌輔助控制姿態(tài)和軌道；二是軍民商間緊密協(xié)作，商業(yè)公司作為主承包商為NASA和DARPA研制機(jī)器人；NASA和DARPA為商業(yè)公司提供技術(shù)和資金支持；DARPA和軍兵種實(shí)驗(yàn)室以及NASA間也有合作。

表1 美國服務(wù)保障類太空機(jī)器人主要在研項(xiàng)目

1.2 在軌制造與裝配類即將在軌驗(yàn)證

雖然美國在軌制造與裝配機(jī)器人項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)間略晚于歐洲，但內(nèi)容全面、技術(shù)先進(jìn)，未來有望厚積薄發(fā)。這些項(xiàng)目分別從高軌裝配衛(wèi)星部件、高/低軌裝配大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、低軌制造與裝配一體化等不同角度發(fā)展相關(guān)能力；目前多處于系統(tǒng)地面驗(yàn)證階段；部分項(xiàng)目研發(fā)的機(jī)器人采用人員監(jiān)控下的自主運(yùn)行模式；有望在2023年后陸續(xù)在低軌開展驗(yàn)證。

圖2 “蜘蛛”機(jī)械臂系統(tǒng)在軌裝配概念圖

安裝衛(wèi)星部件方面，NASA資助的“蜘蛛”(3)原名“蜻蜓”。機(jī)械臂系統(tǒng)用于在軌安裝大型天線，采用人員監(jiān)控下的自主運(yùn)行模式，已完成地面裝配試驗(yàn)，計(jì)劃2023年在低軌驗(yàn)證[6，7]；裝配大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)方面，NASA的“大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配”項(xiàng)目于2019年開始研發(fā)用于在軌裝配的貨物存儲(chǔ)平臺(tái)[8]；制造與裝配一體化方面，NASA的“在軌服務(wù)、裝配與制造任務(wù)”-2(4)原名“太空建筑師”。已完成增材制造與系統(tǒng)裝配地面試驗(yàn)，計(jì)劃2023年在低軌驗(yàn)證。此外， DARPA“鳳凰”項(xiàng)目的原目標(biāo)是驗(yàn)證通過太空機(jī)器人將退役衛(wèi)星的天線拆卸下來，并將其與新型模塊化可重構(gòu)平臺(tái)在軌裝配成新衛(wèi)星的技術(shù)，后被拆分為致力于研究模塊化可重構(gòu)航天器的新“鳳凰”和研究在軌服務(wù)保障機(jī)器人的“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”項(xiàng)目。目前新“鳳凰”已開展在軌試驗(yàn)，未來模塊化可重構(gòu)航天器可由機(jī)器人在軌裝配而成。

在軌制造與裝配類項(xiàng)目發(fā)展具有如下特點(diǎn)：一是在服務(wù)保障項(xiàng)目發(fā)展到一定程度后啟動(dòng)，繼承了較多技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)；二是主要由NASA牽頭商業(yè)公司研發(fā)；三是同步發(fā)展太空增材制造技術(shù)和模塊化可重構(gòu)技術(shù)等。

表2 美國在軌裝配制造類機(jī)器人主要在研項(xiàng)目

1.3 太空環(huán)境治理類進(jìn)展不顯著

美國政府和軍方很少開展太空環(huán)境治理機(jī)器人專項(xiàng)，進(jìn)展不如歐洲顯著，主要資助商業(yè)公司研發(fā)廢棄衛(wèi)星自行離軌裝置，原繩系無限公司的“終結(jié)者帶”項(xiàng)目已于2019年開展在軌試驗(yàn)。未來這些離軌裝置可通過機(jī)器人安裝到廢棄衛(wèi)星上。雖然專項(xiàng)較少，但實(shí)際美國已通過“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”等具有攜帶多數(shù)地球靜止軌道衛(wèi)星變軌功能的服務(wù)保障機(jī)器人掌握了一定的太空環(huán)境治理機(jī)器人技術(shù)和能力。

圖3 “終結(jié)者帶”裝置在軌展開示意圖

1.4 全球首套共識(shí)性無人在軌操作標(biāo)準(zhǔn)制定完成

DARPA于2016年開始組建“交會(huì)與服務(wù)操作執(zhí)行聯(lián)盟”(CONFERS)，擬通過該聯(lián)盟牽頭制定無人在軌操作技術(shù)和安全標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)涉及被服務(wù)航天器界面設(shè)計(jì)、太空機(jī)器人交會(huì)逼近和在軌操作行為、數(shù)據(jù)交換和共享機(jī)制、信任機(jī)制等內(nèi)容[9]。目前該聯(lián)盟已制定完成《衛(wèi)星服務(wù)安全框架技術(shù)和操作指南文件》(已公開發(fā)布)與“共識(shí)性標(biāo)準(zhǔn)”(未公開發(fā)布)，擬與聯(lián)合國外空和平利用委員會(huì)等國際機(jī)構(gòu)共享并推廣該標(biāo)準(zhǔn)，正帶領(lǐng)國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定《CONFERS標(biāo)準(zhǔn)操作原則與實(shí)踐》，計(jì)劃2021年發(fā)布。標(biāo)準(zhǔn)制定工作由CONFERS以召開研討會(huì)的形式開展，美國和多國航天專家參與其中，并共享數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。CONFERS將逐步從DARPA資助轉(zhuǎn)變?yōu)樽曰I資金運(yùn)營。

2 發(fā)展方向

綜合NASA發(fā)布的相關(guān)報(bào)告[10]、技術(shù)路線圖，以及上述項(xiàng)目分析，太空機(jī)器人將朝智能協(xié)同水平更高、操控能力更強(qiáng)、功能更全的方向發(fā)展[11]。

圖4 太空機(jī)器人發(fā)展方向

2.1 向多機(jī)器人自主協(xié)同作業(yè)方向發(fā)展

隨著人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，太空機(jī)器人在個(gè)體自主水平不斷提升的同時(shí)，將向群自主協(xié)同方向發(fā)展。“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”等項(xiàng)目均計(jì)劃發(fā)射多個(gè)機(jī)器人同時(shí)提供在軌服務(wù)。一方面，群體工作可滿足更多老舊和損壞衛(wèi)星的快速、大量服務(wù)需求；另一方面，群體互聯(lián)互通，可隨時(shí)根據(jù)任務(wù)變化和群內(nèi)其他機(jī)器人情況規(guī)劃和調(diào)整自身操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)群資源的合理利用，增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理和任務(wù)執(zhí)行速度。

2.2 向操控非合作目標(biāo)方向發(fā)展

迄今，在軌運(yùn)行的衛(wèi)星都沒有專用對(duì)接接口和標(biāo)識(shí)，屬于非合作或具有部分非合作特性的目標(biāo)，未來，美國將逐步發(fā)展針對(duì)完全非合作目標(biāo)的操控能力，更符合工程應(yīng)用需求。除已應(yīng)用的“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”能與大部分地球靜止軌道衛(wèi)星對(duì)接并服務(wù)外，“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”“在軌服務(wù)、裝配與制造任務(wù)”-1等項(xiàng)目都在研究針對(duì)具有部分非合作特性的目標(biāo)進(jìn)行操作。

2.3 向多種操作功能一體化方向發(fā)展

未來，太空機(jī)器人可通過更換機(jī)械臂終端工具進(jìn)行多種操作，向集成在軌加注推進(jìn)劑、移除太空碎片、輔助控制姿態(tài)和軌道，以及在軌制造與裝配等能力的多功能一體化方向發(fā)展?！叭蝿?wù)擴(kuò)展飛行器”將在輔助控制姿態(tài)和軌道的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展維修、替換零部件等多種能力；“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”項(xiàng)目的初始研究目標(biāo)就是發(fā)展具有多種功能的機(jī)器人[12]；主要用于加注推進(jìn)劑的“在軌服務(wù)、裝配與制造任務(wù)”-1機(jī)器人不僅從2020年4月開始增加了在軌制造與裝配技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)，還將為維修和升級(jí)，移除太空碎片等任務(wù)儲(chǔ)備技術(shù)基礎(chǔ)。NASA稱其有望成為首個(gè)開展工程應(yīng)用的多功能機(jī)器人。

3 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

美軍已在《太空作戰(zhàn)》條令等文件中明確提出將太空機(jī)器人相關(guān)技術(shù)和能力作為軍事航天發(fā)展重點(diǎn)。美國政府和軍方利用商業(yè)力量提升相關(guān)技術(shù)與能力，積蓄軍事應(yīng)用潛力的策略，有望使其發(fā)揮最大價(jià)值。

3.1 美國太空機(jī)器人具有較全面的平戰(zhàn)兩用潛能

“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”的應(yīng)用使美國太空機(jī)器人具備了和平時(shí)提供姿態(tài)和軌道控制服務(wù)，戰(zhàn)時(shí)開展一定程度攻防操作的能力。綜合其他在研項(xiàng)目看，美國太空機(jī)器人未來將具備更全面的平戰(zhàn)兩用能力。和平時(shí)可為軍民商用航天器提供如下服務(wù)：通過在軌加注推進(jìn)劑、輔助控制姿態(tài)和軌道、維修等方式提供延壽服務(wù)；通過在軌裝配制造提供生產(chǎn)和部署服務(wù)，間接提升航天器結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)上限，使其突破當(dāng)前運(yùn)載能力限制；通過捕獲廢棄航天器并攜其離軌，提供壽命終期處理服務(wù)并維護(hù)太空環(huán)境。隨著技術(shù)水平和操作能力不斷提升，戰(zhàn)時(shí)有可能提供如下攻防操作：通過捕獲、操作、機(jī)動(dòng)能力破壞對(duì)手航天器或使其脫軌；通過繞飛和巡視己方航天器，在發(fā)現(xiàn)威脅時(shí)告警，利用機(jī)動(dòng)能力攜帶己方航天器躲避。

3.2 美國率先制定無人在軌操作標(biāo)準(zhǔn)將搶占政治、軍事和商業(yè)先機(jī)

除美國外，德國、英國和日本等也在力促太空機(jī)器人發(fā)展，已形成美國領(lǐng)先、多國競(jìng)逐的發(fā)展態(tài)勢(shì)。鑒于太空機(jī)器人的平戰(zhàn)兩用特性，美國國防機(jī)構(gòu)率先牽頭制定無人在軌操作標(biāo)準(zhǔn)，不僅為促進(jìn)其發(fā)展和應(yīng)用，還有搶占政治、軍事和商業(yè)先機(jī)的深層動(dòng)因。政治方面：不僅有助于爭(zhēng)奪國際話語權(quán)還可降低外交風(fēng)險(xiǎn)。例如，機(jī)器人在機(jī)動(dòng)過程中可能與他國航天器發(fā)生碰撞或在操作中損壞被服務(wù)航天器，該標(biāo)準(zhǔn)提出的數(shù)據(jù)交換和信任機(jī)制等內(nèi)容，有助于使相關(guān)活動(dòng)透明化。軍事方面：國防機(jī)構(gòu)牽頭制定標(biāo)準(zhǔn)，“以軍帶民”促進(jìn)商業(yè)化發(fā)展；反過來，商業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中被軍方吸納，商業(yè)機(jī)器人可在和平時(shí)服務(wù)軍方，戰(zhàn)時(shí)轉(zhuǎn)為軍用，實(shí)現(xiàn)“以民養(yǎng)軍”。商業(yè)方面：通過標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范和約束，不僅有助于降低政府監(jiān)管難度，還可避免行業(yè)壟斷，為投資方、客戶等提供經(jīng)濟(jì)和安全保障，有利于可持續(xù)發(fā)展。太空機(jī)器人的商業(yè)化可持續(xù)發(fā)展，將開辟經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大的新商業(yè)航天市場(chǎng)。以“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”為例，其累計(jì)可為老舊地球同步軌道衛(wèi)星延壽15年，相當(dāng)于節(jié)省了一顆壽命15年、平均建造和發(fā)射費(fèi)用達(dá)10億美元的衛(wèi)星成本，并使老舊衛(wèi)星繼續(xù)創(chuàng)造更多商業(yè)價(jià)值或軍事價(jià)值。

3.3 美國采取政軍主導(dǎo)、軍民協(xié)同、各有側(cè)重的發(fā)展模式值得借鑒

目前NASA和DARPA是美國太空機(jī)器人的主要牽頭研發(fā)和投資機(jī)構(gòu)，商業(yè)公司主要作為承包商積極參與，同時(shí)也獨(dú)立研發(fā)和運(yùn)營。這些機(jī)構(gòu)各有側(cè)重、密切協(xié)作：NASA牽頭商業(yè)公司優(yōu)先發(fā)展在軌加注能力，牽引維修、在軌裝配制造等復(fù)雜操作能力發(fā)展，后續(xù)將發(fā)展多功能機(jī)器人；以DARPA為代表的軍方牽頭各方研究多功能機(jī)器人，并制定無人在軌操作標(biāo)準(zhǔn)；商業(yè)公司為政府和軍方提供研制和運(yùn)營服務(wù)，同時(shí)主攻太空碎片移除、輔助姿態(tài)和軌道控制能力，逐步拓展多種功能。這些組織機(jī)構(gòu)在無人在軌操作標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中共享相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大和標(biāo)準(zhǔn)的推廣，未來多數(shù)美國太空機(jī)器人將由商業(yè)公司運(yùn)營，平時(shí)可為政府和軍方衛(wèi)星服務(wù)，戰(zhàn)時(shí)轉(zhuǎn)為軍用裝備。以上發(fā)展模式有利于快速、全面、深入挖掘太空機(jī)器人的平戰(zhàn)兩用潛能。我國在發(fā)展太空機(jī)器人的過程中，也可考慮借鑒這種模式，由軍方牽頭重點(diǎn)發(fā)展難度較高、軍用前景較好的技術(shù)和能力，加速推進(jìn)專項(xiàng)計(jì)劃；鼓勵(lì)民間資本投入，重點(diǎn)發(fā)展難度較低、商業(yè)價(jià)值較高的技術(shù)和能力。

4 結(jié)束語

除美國外，歐洲、日本、俄羅斯等都在積極發(fā)展太空機(jī)器人，已形成美國領(lǐng)先，多國競(jìng)逐的發(fā)展態(tài)勢(shì)。未來，太空機(jī)器人將成為一種新型航天器，作為航天裝備體系的重要組成部分，變革衛(wèi)星運(yùn)用方式和太空后勤保障能力，催生新的商業(yè)航天市場(chǎng)。