國際空間站（ISS）作為人類太空探索的軌道前哨基地，是諸多太空飛行器運(yùn)送載荷及航天員的往返節(jié)點(diǎn)，具有高度適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)配置，是一個(gè)多任務(wù)、多用途的實(shí)體，可提供電力支持、軌道維護(hù)、姿態(tài)控制、空間環(huán)境保護(hù)、通信及其他服務(wù)。空間站的系統(tǒng)要求和運(yùn)行限制旨在維護(hù)人類生命和安全，但事實(shí)證明，無人操作的機(jī)器人空間站（RSS）也具有巨大的實(shí)用性。RSS可作為ISS使用壽命結(jié)束后的替補(bǔ)，繼續(xù)為ISS目前進(jìn)行的許多有價(jià)值的服務(wù)和實(shí)驗(yàn)提供支持，為科學(xué)和工程應(yīng)用開發(fā)新能力，節(jié)省實(shí)驗(yàn)和儀器載荷寄宿在空間站所需的資金，證實(shí)人類未來行星探測所需的技術(shù)，并為私營部門參與者提供創(chuàng)收應(yīng)用。

一、太空機(jī)器人服務(wù)項(xiàng)目

①已在地球軌道成功運(yùn)行的機(jī)器人系統(tǒng)包括：

新一代空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（“加拿大太空機(jī)械臂-2”）、日本工程試驗(yàn)衛(wèi)星（ETS-VII）、DARPA的“軌道快車”演示任務(wù)，德國航空航天中心（DLR）的 “羅克韋斯”（ROKVISS）機(jī)器人實(shí)驗(yàn)以及日本的“實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械手系統(tǒng)”（JEMRMS）。

②“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”（RSGS）

DARPA和勞拉太空系統(tǒng)公司（SSL）聯(lián)合開展的“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”（RSGS）將成為首個(gè)在地球軌道上運(yùn)行的商業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，擬于2021年發(fā)射，旨在進(jìn)一步成熟化人類深空探索所需的機(jī)器人技術(shù)。為與諸多客戶衛(wèi)星對(duì)接并為其提供服務(wù)，RSGS及其搭載衛(wèi)星具有很長的使用壽命。

RSGS將具備以下能力：

自動(dòng)對(duì)接用戶航天器的發(fā)射適配器；

仔細(xì)檢查客戶特征；

完成機(jī)械處理，如改正部署任務(wù)異常現(xiàn)象；

將具備新功能的模塊與客戶衛(wèi)星外部進(jìn)行連接；

利用客戶衛(wèi)星的推進(jìn)劑和排泄閥進(jìn)行燃料補(bǔ)充；

使用服務(wù)商推進(jìn)器重新定位客戶衛(wèi)星。

③在軌裝配

地球同步軌道（GEO）通信衛(wèi)星可以為更多客戶提供更大的反射器，大型反射器的機(jī)械裝置可為衛(wèi)星運(yùn)營商創(chuàng)造額外的收入，但目前的反射器尺寸受到運(yùn)載飛行器整流罩調(diào)節(jié)能力的限制。因此，SSL公司正在NASA“臨界點(diǎn)”項(xiàng)目框架下開展“Dragonfly”項(xiàng)目，以開發(fā)在軌裝配技術(shù)。太空制造公司也在“臨界點(diǎn)”項(xiàng)目下尋求在太空制造更大型的反射器。目前，在軌裝配所需的許多技術(shù)和程序正在航天器的在軌檢查和在軌服務(wù)領(lǐng)域得以積極開發(fā)。

在軌裝配衛(wèi)星的優(yōu)勢包括：RSS可以測試在軌裝配太空望遠(yuǎn)鏡所需的機(jī)器人技術(shù)；RSS在部署小型商業(yè)衛(wèi)星時(shí)可使用高能推進(jìn)劑；在軌裝配的衛(wèi)星設(shè)計(jì)可只考慮任務(wù)的執(zhí)行，不必考慮發(fā)射需求，從而降低了集成和測試成本。

在軌裝配太空望遠(yuǎn)鏡是機(jī)器人在軌裝配的候選計(jì)劃。雖然目前所有的軌道望遠(yuǎn)鏡都是通過單次發(fā)射進(jìn)入軌道并作為獨(dú)立單元部署，但某些新的設(shè)計(jì)模塊由于體積過大無法實(shí)現(xiàn)單次整體發(fā)射并完成部署。NASA已委托一項(xiàng)研究利用模塊化組裝方法建造大型天體物理儀器。根據(jù)NASA報(bào)告顯示，機(jī)器人裝配將為未來的系外行星表征儀器提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和成本效益，報(bào)告建議使用RSGS測試裝配技術(shù)。

在軌建造衛(wèi)星。美國防科學(xué)與技術(shù)政策研究所（IDA STPI）發(fā)布報(bào)告對(duì)這一概念進(jìn)行了概述：近十多年來，研究人員和專家建議實(shí)現(xiàn)飛船、衛(wèi)星和其他飛行器在太空的部分或全部裝配或制造，取代在地面完成的裝配架構(gòu)。雖然在軌裝配/制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)仍處于低水平階段，但近年來已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。ISS已通過增材制造（3D打印）技術(shù)在小型部件（如塑料工具）上實(shí)現(xiàn)了在軌制造。

根據(jù) IDA STPI發(fā)布的報(bào)告顯示：寄宿科學(xué)、商業(yè)以及軍事有效載荷的持久運(yùn)行平臺(tái)也可實(shí)現(xiàn)在軌裝配。該概念的基本思想是裝配一個(gè)具有連接器的結(jié)構(gòu)，該連接器可隨時(shí)向多個(gè)載荷提供電力和通信服務(wù)。持久性運(yùn)行平臺(tái)可提供姿態(tài)控制、軌道維護(hù)以及實(shí)用程序服務(wù)，減少發(fā)射次數(shù)，降低組件的集成和測試成本，縮短發(fā)射周期，提高使用靈活性。

目前一些模塊化衛(wèi)星組裝概念已經(jīng)達(dá)到了很高的成熟度。如總部位于加利福尼亞州的NovaWurks公司開發(fā)的HISat細(xì)胞衛(wèi)星概念，是一種模塊化衛(wèi)星構(gòu)件，已通過飛行測試。德國航空航天中心（DLR）開發(fā)的“用于在軌衛(wèi)星服務(wù)和組裝的智能構(gòu)建模塊”（iBOSS）。此外，太空拖船對(duì)于實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星裝配必不可少，太空拖船可將裝配完成的衛(wèi)星運(yùn)送到RSS所在軌道以外的地方。這些服務(wù)性任務(wù)將為未來的太空機(jī)器人系統(tǒng)以及機(jī)器人空間站的建立提供大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。

在軌裝配/制造通信衛(wèi)星的大型反射器，將顯著受益于GEO通信衛(wèi)星市場；NASA已經(jīng)發(fā)起在國際空間站生產(chǎn)高質(zhì)量光導(dǎo)纖維項(xiàng)目，RSS可作為該項(xiàng)目的進(jìn)一步開發(fā)測試平臺(tái)，甚至用作實(shí)際的生產(chǎn)平臺(tái)。隨著新興技術(shù)、應(yīng)用的投入以及空間站商業(yè)活動(dòng)的增加，RSS應(yīng)借鑒ISS的商業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，以公私合作方式運(yùn)行，減少RSS運(yùn)行成本對(duì)政府預(yù)算的影響，并為空間站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來更大的靈活性。以上提到的服務(wù)性任務(wù)將為未來的太空機(jī)器人系統(tǒng)以及機(jī)器人空間站的建立提供大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。

二、機(jī)器人空間站設(shè)計(jì)要求

①RSS必須以機(jī)器人的方式構(gòu)建，依托私人企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室正在快速推進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，如諾格公司及其合作伙伴在機(jī)器人裝配和服務(wù)性商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施（CIRAS）項(xiàng)目中開發(fā)的技術(shù)，包括：電力系統(tǒng)、姿態(tài)檢測和控制、推進(jìn)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將集成到桁架組件上。②RSS應(yīng)提供一個(gè)封閉的空間，以保護(hù)設(shè)備免受微隕石影響，可通過互鎖方式自動(dòng)構(gòu)建。③RSS應(yīng)可部署于太陽同步軌道，為未來軌道列車（A-Train）的后繼儀器提供托管平臺(tái)。④為便于所有處理程序和裝配過程通過機(jī)器人執(zhí)行，RSS應(yīng)首先構(gòu)建可連接其他部分的中央桁架模塊，且每個(gè)交付組件及科學(xué)模塊必須包含可連接機(jī)載機(jī)器人系統(tǒng)的接口；⑤RSS的設(shè)計(jì)計(jì)劃必須包括自動(dòng)維護(hù)和修理的能力，如：減少冗余以避免維持國際空間站運(yùn)行的關(guān)鍵機(jī)器人出現(xiàn)單點(diǎn)故障；在無法進(jìn)行修復(fù)時(shí)更換某些組件；開發(fā)機(jī)器人自動(dòng)修復(fù)功能，包括在軌制造的使用。

三、RSS的開發(fā)動(dòng)機(jī)

加速機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入地球軌道，刺激太空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；測試最終用于人類太空探索任務(wù)的機(jī)器人；為軌道天體物理觀測臺(tái)等系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)器人裝配概念。RSS可提供ISS目前提供的許多功能：部署小型LEO衛(wèi)星；在受保護(hù)空間內(nèi)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)；托管地球觀測儀器和其他外部有效載荷；使用在軌制造技術(shù)進(jìn)行有益于商業(yè)、民用或國家安全應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)。

四、美國政府提供的技術(shù)支持

政府資助的用于構(gòu)建/運(yùn)行RSS的技術(shù)包括：RSS的框架建筑設(shè)備和技術(shù)，如“機(jī)器人裝配與服務(wù)商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施”（CIRAS）項(xiàng)目開發(fā)的技術(shù)；收回有效載荷的大型外部機(jī)械臂，如下一代大型“加拿大機(jī)械臂”；操控/裝配有效載荷的較小型機(jī)械臂，如Dragonfly項(xiàng)目；收回軌道車輛和太空拖船的機(jī)器人手臂，如由MDA-US系統(tǒng)公司為RSGS和重返月球計(jì)劃（Restore-L）計(jì)劃開發(fā)的“FREND”手臂；用于機(jī)器人手臂自動(dòng)抓取操作的軟件系統(tǒng)，如美海軍研究實(shí)驗(yàn)室正在為RSGS計(jì)劃開發(fā)的技術(shù)。將這些技術(shù)與工業(yè)界技術(shù)相結(jié)合，可推動(dòng)商業(yè)機(jī)器人能力蓬勃發(fā)展。

五、未來愿景

建造RSS的目標(biāo)包括：將更多的機(jī)器人發(fā)射入太空并使用其完成更多的太空任務(wù)，從而改變太空作戰(zhàn)；根據(jù)環(huán)境變化定向設(shè)計(jì)機(jī)器人，盡可能滿足商業(yè)、科學(xué)和政府等多用戶的需求；利用迅速發(fā)展的地面機(jī)器人技術(shù)促進(jìn)太空機(jī)器人技術(shù)的擴(kuò)展；為未來的太空探索任務(wù)降低風(fēng)險(xiǎn)；專注于完成地面上無法完成的測試；在不增加容量或人體生命支持設(shè)備的前提下，盡可能取代ISS的載荷寄宿功能；寄宿對(duì)ISS具有不安全影響的設(shè)備和技術(shù)。

NASA已經(jīng)征求低地球軌道以及ISS的商業(yè)化發(fā)展意見,將小型衛(wèi)星和運(yùn)載火箭集成到機(jī)器人空間站的后勤系統(tǒng)中，并利用一些支持性技術(shù)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的太空物流基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

與航天員空間站相比，機(jī)器人空間站運(yùn)行成本及性能需求較低，但其設(shè)計(jì)、開發(fā)和部署仍是一項(xiàng)重大事業(yè)。機(jī)器人空間站可以執(zhí)行大量有價(jià)值的功能，是推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入太空的最重要的節(jié)點(diǎn)。除了預(yù)先為RSS設(shè)想的功能外，機(jī)器人技術(shù)的靈活性還將使其具備執(zhí)行其他任務(wù)的能力，實(shí)現(xiàn)更大的商業(yè)價(jià)值，推動(dòng)人類深空探索任務(wù)的擴(kuò)展，進(jìn)而開啟真正的太空機(jī)器人時(shí)代。