CC BY
153
Текст: Сергей СИЛАНТЬЕВ, кандидат технических наук, доцент, Иван ФОМИНОВ, кандидат технических наук, Степан КОРОЛЕВ
(Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского)
Космическая робототехника - одно их самых перспективных направлений развития современной космонавтики. К основным робототехническим системам космического назначения относятся роботы для технического обслуживания, ремонта, дозаправки орбитальных космических аппаратов; устройства для работы снаружи и внутри космических кораблей и планетоходы.
Первые планетоходы
Психофизические ограничения не позволяют человеку справляться со многими видами работ в космосе, поэтому их выполнение поручается автоматическим системам.
Первыми реальными примерами применения средств робототехники в космическом пространстве являются манипуляторы для взятия проб грунта советскими и американскими космическими кораблями, осуществившими посадку на Луну, Марс и Венеру.
Автоматические межпланетные станции, планетоходы являются, по сути, сложными интеллектуальными роботами, поскольку из-за больших задержек передачи сигнала телеуправление ими в реальном времени практически невозможно. Примером использования роботов в открытом космосе являются манипуляционные роботы многоразовых космических кораблей.
Одной из современных проблем эксплуатации ракетно-космической техники является обеспечение заданного срока активного существования на орбите. Ограниченный запас рабочего тела, а также нештатные ситуации, возникающие в процессе полета космических аппаратов, заключающиеся в отказах элементов бортовых систем, деградации солнечных батарей, износе элементов конструкции, существенно снижают заданный срок их успешного функционирования на орбите.
Перспективным путем решения этой проблемы является создание и применение специальных космических аппаратов - космических роботов, обладающих свойствами локомоции (маневрирования относительно обслуживаемого объекта), манипуляции (проведения специальных операций по замене элементов и узлов объекта), способностями самостоятельного принятия решения в условиях априорной неопределенности и тем самым обеспечивающих диагностику, ремонт, модернизацию, адаптацию космического аппарата (КА) к различным целевым задачам.
Система Orbital Express
В развитых космических державах активно ведутся работы по проектам создания космических аппаратов-инспекторов (КАИ), обеспечивающих дистанционный мониторинг, диагностику и обслуживание различных орбитальных объектов.
Примеры космических аппаратов-инспекторов
Перспективный проект последнего времени в этой области - разрабатываемая США космическая система Orbital Express, предназначенная для проведения ремонтно-восстановительных и заправочных операций.
Применение технологии орбитального обслуживания космических средств целесообразно в отношении достаточно больших и дорогих космических аппаратов, требующих длительного (10-20 лет) существования на орбите. К таким аппаратам прежде всего относится Международная космическая станция. Кроме того, осуществление этой технологии возможно в случае использования КА, имеющих модульную структуру и приспособленных к ремонту, модернизации и реконфигурации в условиях орбитального полета. Прототипом таких КА являются унифицированные космические платформы, нашедшие широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом. Принципиальным отличием нового подхода к построению унифицированных космических платформ является возможность их адаптации и модернизации в условиях орбитального полета.
Почему Россия отстает в космическом роботостроении
Обобщенный анализ современного состояния в области разработки, создания и применения космических робототехнических комплексов и систем (КРТКС) показал, что в мире проводится широкий спектр работ в этом направлении. Создание автономных робототехнических комплексов является одним из актуальных направлений по развитию космической деятельности США и ряда других государств. Специалисты НАСА считают, что робототехнические и автономные системы в ближайшее десятилетие займут фундаментальное место в области исследования космоса человеком.
Несмотря на то, что в настоящее время в России имеется богатый научно-технический и промышленный потенциал, позволяющий создавать и совершенствовать объекты ракетно-космической техники, за последние 20 лет в области разработки, создания и применения КРТКС наметилось серьезное отставание нашей страны от ведущих западных стран. Это отставание связано, в первую очередь, с отсутствием технологической и нормативно-правовой базы в области разработки, создания и применения КРТКС. В существующих концепциях, комплексных целевых программах, а также других руководящих и методических документах в данной предметной области космические робототехнические комплексы не упоминаются. Это обусловлено отсутствием четкой терминологической базы по КРТКС и их классификации.
Возможные способы применения
- Совершение космическими роботами маневров инспектирования (подлет, облет, зависание, пролет) орбитальных объектов, получение информации, ее обработка, передача на Землю и принятие решения о дальнейших действиях либо самостоятельно, либо по командам оператора;
- эскортирование орбитальных объектов и защита их от внешнего воздействия в случае опасности;
- техническое обслуживание космических аппаратов и других орбитальных объектов для обеспечения заданного срока функционирования орбитальной группировки;
- сборка на орбите больших конструкций (платформ, антенн, телескопов);
- построение и обслуживание баз на других планетах.
Операции технического обслуживания отечественных космических аппаратов могут проводиться двумя способами: либо путем непосредственной работы космических роботов с обслуживаемым КА, либо путем их использования для транспортирования КА с его орбиты функционирования на робототехническую платформу обслуживания и после проведения обслуживания КА робототехническими средствами платформы доставки обратно на орбиту. В качестве вариантов обслуживания автоматического КА, реализуемых в ближайшее время, целесообразно рассматривать доставку и дозаправку топливом, а также замену панелей солнечных батарей.
Реализация этих способов может осуществляться либо одним космическим роботом, либо дуэтом, либо группой космических роботов.
Применение космических роботов видится в двух вариантах:
- один из космических роботов используется в качестве наблюдателя, второй - для непосредственного выполнения поставленной задачи;
- один из космических роботов используется в качестве базы, второй - для непосредственного выполнения поставленной задачи («сумчатая команда»).
Групповое применение космических роботов возможно также в двух вариантах:
- выполнение поставленной задачи с использованием тактики «роя» («волчьей стаи»);
- формирование функционально законченного объекта (например, антенны больших размеров) из группы специальным образом построенных и взаимодействующих между собой малых космических роботов.
С точки зрения оперативности решения целевых задач, возлагаемых на КРТКС, а также повышения устойчивости функционирования подобного рода комплексов и систем, применение одиночного космического робота является менее предпочтительным.
Примером использования роботов в открытом космосе являются манипуляционные роботы многоразовых космических кораблей «Буран» и «Спейс Шаттл». Такие роботы позволяют перемещать в космическом пространстве различные объекты, а также фиксировать положение корабля относительно других объектов. На Земле эти манипуляторы не могут поднять даже собственный вес, зато в космосе являются очень эффективными.
Для обслуживания МКС специалистами NASA разработан проект наноробота MiniAERCam массой 5 кг. Робот оснащен 12 электроракетными двигателями, работающими на ксеноне и предназначенными для перемещения робота вокруг и внутри станции.
Для использования на МКС NASA также предложило летающий робот в форме небольшого куба с закругленными гранями. Предполагается, что робот будет оснащен манипулятором, микрофоном, видеокамерой, другими датчиками, будет отслеживать качество воздуха, уровень шума, выполнять функции робота телеприсутствия для специалистов Центра управления полетами.
Кооперируемые комплексы, системы
Пункт управления
(оператор)
. Среда
Объект взаимодействия
(ч (целевой объект) Л
Платформа
исполнительная система
? управляющая ^^ система
Ё5т
информационная система
коммуника-
ционная система
система
Л
Обеспечивающие системы
Из чего состоит космический робот?
Функциональная схема космического робота
Робот состоит из следующих основных компонентов:
- исполнительная система;
- информационная (сенсорная) система;
- управляющая система;
- коммуникационная система (система связи);
- обеспечивающие системы.
Известно, что человек совершает во внешней среде два вида движений - манипуляции и локомоции. Манипуляция - это движение рук при выполнении какой-либо работы. Локомоция - движение всего тела для осуществления перемещения во внешней среде. Человек перемещается с помощью ног, но иногда использует и руки (ползание, лазание, плавание). В соответствии с этим исполнительная система робота включает в себя: манипуляционную и локомоционную.
Основным элементом манипуляционной системы являются механические манипуляторы. Они представляют собой пространственные механизмы в виде кинематических цепей из звеньев, образующих кинематические пары с угловым или поступательным относительным движением и системой приводов, обычно раздельных для каждой степени подвижности.
Локомоционная система наряду с манипуляцион-ной образует систему передвижения робота. В современных мобильных роботах нашли применение практически все известные транспортные средства. Основной специфической частью всех систем передвижения являются движители. В космических роботах в качестве движителя используются прежде всего различного типа реактивные двигатели.
Информационная система включает датчики внутренней информации, конструктивно встроенные обычно в механическую систему, и датчики внешней информации (сенсоры), сигнализирующие о состоянии внешней среды.
Управляющая система включает в себя микропроцессоры или компьютеры для обработки информации, поступающей от информационной системы, и формирования сигналов управления на исполнительную систему с использованием встроенного программного обеспечения, а также электронные преобразователи цифровых и аналоговых сигналов, усилители, другие электронные блоки.
Коммуникационная система (система связи) состоит из каналов прямой и обратной связи внутри робота и внешнего интерфейса для связи робота с оператором и другими роботами для организации группового (коллективного) поведения роботов.
Обеспечивающие системы предназначены для создания условий нормального функционирования робота. В их состав обязательно входит энергетическая система, а также может входить система обеспечения теплового режима.
Понятия «среда» или «внешняя среда» включают, например, объекты манипулирования, препят-
КОСМИЧЕСКИИ РОБОТ - техническое устройство, предназначенное для функционирования в космическом пространстве и способное за счет автоматического воспроизведения (имитации) сенсорных, управляющих, двигательных и коммуникационных функций человека выполнять целевые задачи в соответствии с назначением космического робототехнического комплекса.
■5" ЕСКИЙ РОБОШ.Ь^Й НОМПЛЕКС-^о^ .гщ^гзг5 Г;е%ВпГГи»„(иМ.поЛете. 1 рр
КОСМИЧЕСКАЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - совокупность нескольких космических робототехнических комплексов, взаимодействующих между собой для достижения поставленной цели.
ствия, параметры температуры, уровень радиоактивности. Состояние дел в космической индустрии сегодня таково, что позволяет говорить о возможности создания космического робота любого целевого назначения, несмотря на то, что не все проблемы еще решены до конца. Об этом свидетельствуют достижения в области разработок исполнительных, информационных (сенсорных), управляющих, коммуникационных (связных) и обеспечивающих систем роботов. В качестве одной из критичных систем робото-технических комплексов является система бортовой энергетики.
Разработанная функциональная схема робота позволяет наглядно представить основные системы, входящие в его состав, связи между ними, а также порядок его взаимодействия с внешними объектами.
Основные критические технологии создания
Решение вышеперечисленных задач невозможно без разработки и отработки технологии управления космическими роботами, обеспечения
связи между ними, решения задач навигации, поиска революционных конструктивных и энергетических решений построения космических аппаратов с возможностью реконфигурации их элементов.
Ключевыми критическими технологиями создания и применения КРТКС представляются следующие:
- методология автономного управления относительным движением космических роботов в окрестности обслуживаемого орбитального объекта;
- методология относительной навигации космических роботов в окрестности обслуживаемых орбитальных объектов;
- технология группового управления процессом функционирования космических робототехни-ческих комплексов и систем;
- технология изготовления съемной и реконфи-гурируемой конструкции обслуживаемых космических аппаратов.
Создание и применение КРТКС в современных условиях возможно путем отработки перечисленных технологий на основе эволюционного подхода -от простого к сложному, что создаст фундаментальную основу для развития и совершенствования ракетно-космической техники будущего.
