CC BY
35
УДК 629.78
Антипушина Е.С.
студент каф. 310 МАИ МАИ г. Москва, РФ
ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКОЙ РОБОТОТЕХНИКИ: ОТ ПИОНЕРОВ КОСМОНАВТИКИ ДО СОВРЕМЕННОСТИ
Аннотация
Освоение космоса является ведущим направлением науки. Перспективной задачей освоения космоса является - получение ответов на ряд фундаментальных вопросов. В статье рассмотрены современные робототехнические системы, участвующие в космических миссиях. Описаны их основные функции и проанализированы их преимущества.
Ключевые слова
Робототехника, космос, космические роботы, роботы-аватары, антропоморфные роботы
В России и во всем мире на протяжении 70 лет исследование космоса является лидирующим направлением научной деятельности. Несмотря на большие достижения в этой области, на многие фундаментальные вопросы до сих пор не найдено ответов. По-прежнему надежды учёные ожидают, что изучение космоса позволит разгадать тайны формирования Вселенной, происхождении планеты Земля, эволюции и существовании жизни за пределами Земли. Важная роль в текущих и будущих миссиях отводится развитию космической техники, которая позволяет решать большой круг практических задач по исследованию, сборке и техническому обслуживанию спутников в суровых и опасных для человеческого организма условиях космоса [1].
Самые ранние упоминания о применение робототехнических систем связаны с отправкой космических аппаратов на орбиту Земли (1950-1960 гг.). Советские автоматические межпланетные станции (АМС) «Луна-1» - «Луна-3» (1959г.) считаются аппаратами первого поколения. С их помощью стал возможен перелет с Земли к Луне без использования искусственного спутника, а также была проведена коррекция траектории полета. АМС достигли Луны и осуществили ее пролет. А 7 октября 1959 года «Луной-3» впервые в истории удалось осуществить фотосъемку обратной стороны Луны.
«Луна-4» - «Луна-14» (1963-1968гг.) стали космическими аппаратами второго поколения. При их запуске были использованы усовершенствованные методы: сначала осуществлялось выведение на орбиту искусственного спутника Земли, а затем старт к Луне. Кроме того, были скорректированы траектория и торможение в окололунном пространстве. У каждого аппарата была своя миссия: при запусках
«Луна-4» - «Луна-8» (1963-1965гг.) отрабатывался полет к Луне, «Луна-9» (1966г.) и «Луна-13» (1966г.) совершенствовали «мягкую посадку», а основной задачей «Лун - 10-14» (1966-1968гг.) стал вывод(запуск) на орбиту искусственного спутника Луны. В 1967г. был запущен спускаемый аппарат «Сервейер-3» (США), на борту которого успешно работало на поверхности Луны манипуляционное устройство для отбора проб.
Более совершенными аппаратами стали аппараты третьего поколения - «Луна- 15» - «Луна-24» (1969-1976гг.). В 1970-м году были разработаны советские АМС для изучения Луны и космического пространства - «Луна-16» и «Луна-17». АМС третьего поколения осуществляли полет к Луне с более точной посадкой: проводилось несколько коррекций на траектории полета от Земли к Луне и на орбите искусственного спутника Луны.
Благодаря этим системам стали возможны невероятные успехи космических миссий и новые научные открытия [1]. Аппараты «Луна» обеспечили получение первых научных данных о Луне, отработку мягкой посадки на Луну, полёт по орбите искусственного спутника Луны [2], взятие и доставку на Землю проб грунта, транспортировку на поверхность Луны лунных самоходных аппаратов. Создание
и запуск разнообразных автоматических лунных аппаратов является особенностью советской программы исследования Луны.
Космическая радиация, негативно воздействуя на организм человека, является одним из главных факторов риска на космических миссиях. Космическое радиационное облучение может вызвать: 1) канцерогенез, 2) дегенерацию тканей (например, сердечно-сосудистые заболевания), 3) поражение нервной системы и 4) острую лучевую болезнь [3]. Робототехнические системы предназначены для решения данной проблемы и обеспечения более безопасного пребывания человека в космосе. В частности, возможно использование роботов-аватаров. Роботы-аватары представляют собой системы, способные в точности повторять движения человека, находящегося в специальном костюме. Взаимодействие с аватаром осуществляется через специальный костюм, надеваемый на человека, благодаря которому робот может повторять все движения головы, ног, рук и пальцев [4].
Среди современных роботов-аватаров можно назвать такие модели как «Робонавт-2» (Р-2) (США) и «FEDOR» (Россия). «FEDOR» (сокращение от его полного названия Final Experimental Demonstration Object Research) - российский антропоморфный робот, создан в 2016г. Он был разработан в рамках проекта «Разработка технологии создания комбинированной системы управления робототехническими комплексами» и предназначался для отработки технологий совместного управления с использованием тонкой моторики манипуляторов, перемещения в условиях типовой городской застройки, преодоления препятствий, отработки вождения транспортного средства. В ходе наземной подготовки эксперимента образец был доработан для интеграции в транспортный корабль «Союз МС-14» и российский сегмент международной космической станции. В результате доработки была создана антропоморфная робототехническая система (АРТС) - «Skybot F-850» [5].
В августе 2019 года «FEDOR» совершил полет на Международную космическую станцию на корабле «Союз МС-14» в центральном кресле пилота. Робот, способный работать в режиме аватара под управлением оператора через систему спутниковой связи, был использован для оценки рисков миссий на Луну и определения возможности замены человека в космическом полёте [6]. Также успешно были выполнены все запланированные сеансы эксперимента с роботом: 1) дистанционное управление роботом для выполнения типовых полетных операций (работа с бортовым инструментом, имитация протирки поверхности панелей станции); 2) видеоприветствие землян роботом «FEDOR»; 3) речевой диалог между космонавтами и роботом [5].
«Робонавт-2» (2014г.) также является примером современных антропоморфных роботов космического применения [7,8]. Он оснащен верхними и нижними конечностями. Руки «Робонавта» подобно человеческим имеют по пять пальцев с суставами [9,10], что обеспечивает хватательную функцию и позволяет ему осуществлять захват объектов. Помимо этого, робот может переключать различные коммутирующие устройства, проводить работы с человеческими инструментами. Шлем снабжен четырьмя видеокамерами, благодаря которым робот не только ориентируется в пространстве, но и транслирует сигналы на мониторы диспетчеров.
«Робонавт» предназначен для помощи космонавтам в выполнении различных задач [11,12].
Безусловно, наука смотрит в будущее, планируется освоение Марса. В XXI веке Роскосмос, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства и Европейское космическое агентство объявили полёт на Марс своей целью. Функционирование человека зависит от таких факторов, как температура и давление. Важно также учитывать взаимосвязь между Землей и Луной, разницу гравитационных полей Земли и Марса и циркадные ритмы. Пребывание в новой среде может негативно повлиять на физиологическое состояние человека (например, на гормональную регуляцию) [13]. Кроме того, за один полет на Марс космонавт получает дозу радиации в размере 1 Зв (лимит дозы за карьеру космонавта) [14]. В связи с этим полёт человека на Марс в настоящий момент невозможен, но использование современных робототехнических систем позволяет получить много научных данных об этой планете. Новейшим достижением российских ученых в области космонавтики является спектрометр Atmospheric Chemistry Suite (Комплекс для изучения химии атмосферы), созданный
для высокочувствительных измерений состава атмосферы, включая вулканические газы. Характеристики аппарата позволили использовать его для изучения Марса, первые данные были получены в 2019г. В феврале 2021 г. благодаря этому прибору состоялось очередное большое открытие - впервые в атмосфере Марса прямыми измерениями обнаружен хлороводород (газообразный галоген, HCl). Таким образом, была получена информация о том, что в атмосфере Марса могут содержатся земные газы [15].
18 февраля 2021 г. американский марсоход «Персеверанс» осуществил посадку на Марс в районе кратера Езеро [16]. В рамках миссии «Марс-2020» основными задачами системы являются: 1) отбор и сбор образцов горных пород поверхности Марса; 2) поиск биосигнатур; З) оценка жизнепригодности Марса; 4) проведение тестов по производству кислорода из марсианской атмосферы [16,17,18]. По конструкции «Персеверанс» учитывает особенности строения его предшественника «Кьюриосити»: оснащен шестью колесами из алюминиевого сплава, имеет турель для визуализации и радиоизотопный источник питания [19]. Данный марсоход содержит новые инструменты для построения изображений, осуществления посадки и сложную систему бурения [19]. Специалистами NASA были отобраны семь научных инструментов для установки на марсоход: 1) планетарный инструмент для рентгеновской литохимии; 2) радиолокационный визуализатор для марсианского подповерхностного эксперимента; З) марсианский анализатор динамики окружающей среды; 4) марсианский исследовательский эксперимент с кислородом in situ; 5) SuperCam; 6) мультиспектральный стереоскопический прибор для визуализации; 7) рамановское и люминесцентное сканирование пригодной для жизни среды для поиска органических и химических веществ. Из-за большого числа устройств и прочных колес масса аппарата стала на 14% тяжелее массы «Кьюриосити» [20]. Марсоход оснащён пятисуставным роботизированным манипулятором-«рукой», которая совместно с поворачиваемой башней-турелью предназначена для захвата и анализа геологических образцов с марсианской поверхности [21]. Помимо этих устройств, на марсоходе расположены несколько камер, и - впервые для марсианского аппарата - два микрофона, которые уже записали звук во время посадки аппарата на Марс [22], а также во время поездок ровера по поверхности и во время сбора образцов. Помимо этого, «Персеверанс» укомплектован отдельным беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) вертолётного типа Ingenuity, который должен помочь марсоходу обнаруживать новые локации для изучения [23, 24, 25].
В целом, безусловными преимуществами использования робототехнических систем в космосе являются: 1) резистентность роботизированных систем к условиям космоса; 2) возможность освоения космоса и изучения других планет и космических тел без участия человека; З) отсутствие необходимости возвращения аватара на Землю, т.е. корабль можно запрограммировать на полет в один конец.
Вместе с тем, существенным недостатком использования систем данного типа является большая задержка в сигнале, посылаемом к роботу, и от видеокамеры робота на Землю, что усложняет управление роботом. Таким образом, робототехнические системы дали людям новые возможности для исследования космического пространства. В будущих миссиях с применением робототехники ожидается усовершенствование существующих технических систем. Проводимые в настоящее время работы нацелены на устранение выявленных недостатков.
Список использованной литературы:
1. Yang Gao, Steve Chien. Review on space robotics: Toward top-level science through space exploration. Science Robotics 28 Jun 2017: Vol. 2, Issue 7. DOI: 10.1126/scirobotics.aan5074
2. Передвижная лаборатория на Луне «Луноход-1», М., 1971; Освоение космического пространства в СССР, М., 1973.
3. Gregory A. Nelson. Space Radiation and Human Exposures, A Primer Radiation Research, 185(4):349-358 (2016). DOI: 10.1667/RR14311.1
4. S. Kishore. Robotic Embodiment Developing a System for and Applications with Full Body Ownership of a Humanoid Robot, стр. 45-64.
5. Пермяков А.Ф., Дудоров Е.А., Сохин И.Г., Шпонько А.А. Подготовка и проведение космического
эксперимента с применением антропоморфного робота
«Федор» // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2020. №3 (207), стр. 64-72.
6. Космический «Аватар»: на что способен новый робот-спасатель FEDOR
// Российское государственное информационное агентство федерального уровня. 2016. 10 окт. URL: https://tass.ru/armiya-i-opk/3693207.
7. Ott, C. "A Humanoid Two-Arm System for Dexterous Manipulation," Proc. 2006 IEEE-RAS Int. Conf. on Humanoid Robots, Dec. 4-6, 2006, Genova, Italy, pp. 276- 283.
8. Pratt G. A. and Williamson, M. M. "Series Elastic Actuators." in proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 95). Pittsburgh, PA. 1995. pp. 399-406.
9. M.A. Diftler, J.S. Mehling, et al. Robonaut 2 - The First Humanoid Robot in Space. Proceedings - IEEE International Conference on Robotics and Automation. DOI: 10.1109/ICRA.2011.5979830.
10. Lovchik, C.S. and Diftler, M.A. «The Robonaut Hand: a Dexterous Robot Hand for Space». Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Detroit,MI. pp. 907-912.
11. L. B. Bridgwater; C. A. Ihrke; M. A. Diftler, et al. The Robonaut 2 hand - designed to do work with tools. 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation. DOI: 10.1109/ICRA.2012.6224772
12. Bluethmann, W., et al. «Robonaut: A Robot Designed to Work with Humans in Space». Autonomous Robots, Vol 14. 2003. pp 179-197.
13. Szocik K. Unseen challenges in a Mars colony, Spaceflight January 2016: Vol. 58, pp. 20-23.
14. Самойлов А.С., Ушаков И.Б., Шуршаков В.А. Радиационное воздействие в орбитальных и межпланетных космических полётах: мониторинг и защита // Экология человека. 2019. №1. стр. 4-10.
O. Korablev, K.S. Olsen, A.Trokhimovskiy, Transient HCl in the atmosphere of Mars. Science Advances 10 Feb 2021:Vol. 7, no. 7, eabe4386. DOI: 10.1126/sciadv.abe4386
15.Voosen P. 'Touchdown confirmed!' Perseverance landing marks new dawn for Mars science // Science 18 Feb 2021. DOI: 10.1126/science.abh1481.
16.National Aeronautics and Space Administration. 2020. URL: https://mars.nasa.gov/mars2020/(дата обращения: 11.09.2021).
17.NASA Science Mars 2020 Mission Overview // National Aeronautics and Space Administration 2020. URL:https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/overview/ (дата обращения: 11.09.2021).
18.Voosen P. Martian chronicler. // Science. 25 June 2020. DOI: 10.1126/science.abd5006.
19. National Aeronautics and Space Administration Fact Sheet 2020. // National Aeronautics and Space Administration. 2020.URL: https://mars.nasa.gov/files/mars2020/Mars2020_Fact_Sheet.pdf (дата обращения: 11.09.2021).
20.NASA Science Mars 2019 Mission Overview // National Aeronautics and Space Administration. 2021. URL: https://mars.nasa.gov/news/8454/mars-2020-rovers-7- foot-long-robotic-arm-installed/ (дата обращения: 11.09.2021).
21. NASA Science Mars 2020 Mission Perseverance Rover // National Aeronautics and Space Administration. 2020. URL: https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/microphones/ (дата
обращения: 11.09.2021).
22. Mars Helicopter to Fly on NASA's Next Red Planet Rover Mission // NASA 2018. 11 мая. URL: https://www.nasa.gov/press-release/mars-helicopter-to-fly-on-nasa-s-next-red-planet-rover-mission (дата обращения: 11.09.2021).
23.A Helicopter on Mars? NASA Wants to Try. // The New York Times 2018. 11 мая. URL https://www.nytimes.com/2018/05/11/science/mars-helicopter-nasa.html (дата
обращения: 11.09.2021).
24. The facts on Ingenuity: 2020's Mars helicopter // Made for minds. 2020. 16 июня. URL: https://www.dw.com/en/the-facts-on-ingenuity-2020s-mars-helicopter/a-54184706
© Антипушина Е.С., 2022
