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送載荷及航天員的往返節(jié)點，具有高度適應(yīng)性和動態(tài)配置，是一個多任務(wù)、多用途的實體，可提供電力支持、軌道維護、姿態(tài)控制、空間環(huán)境保護、通信及其他服務(wù)?？臻g站的系統(tǒng)要求和運行限制旨在維護人類生命和安全，但事實證明，無人操作的機器人空間站（RSS）也具有巨大的實用性。RSS可作為ISS使用壽命結(jié)束后的替補，繼續(xù)為ISS目前進行的許多有價值的服務(wù)和實驗提供支持，為科學(xué)和工程應(yīng)用開發(fā)新能力，節(jié)省實驗和儀器載荷寄宿在空間站所需的資金，證實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、太空機器人服務(wù)項目

①已在地球軌道成功運行的機器人系統(tǒng)包括：

新一代空間站遙控機械臂系統(tǒng)（“加拿大太空機械臂-2”）、日本工程試驗衛(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）機器人實驗以及日本的“實驗艙機械手系統(tǒng)”（JEMRMS）。

②“地球同步軌道衛(wèi)星機器人服務(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)星機器人服務(wù)”（RSGS）將成為首個在地球軌道上運行的商業(yè)機器人系統(tǒng)，擬于2021年發(fā)射，旨在進一步成熟化人類深空探索所需的機器人技術(shù)。為與諸多客戶衛(wèi)星對接并為其提供服務(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：

自動對接用戶航天器的發(fā)射適配器；

仔細檢查客戶特征；

完成機械處理，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)星外部進行連接；

利用客戶衛(wèi)星的推進劑和排泄閥進行燃料補充；

使用服務(wù)商推進器重新定位客戶衛(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，大型反射器的機械裝置可為衛(wèi)星運營商創(chuàng)造額外的收入，但目前的反射器尺寸受到運載飛行器整流罩調(diào)節(jié)能力的限制。因此，SSL公司正在NASA“臨界點”項目框架下開展“Dragonfly”項目，以開發(fā)在軌裝配技術(shù)。太空制造公司也在“臨界點”項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鏡所需的機器人技術(shù)；RSS在部署小型商業(yè)衛(wèi)星時可使用高能推進劑；在軌裝配的衛(wèi)星設(shè)計可只考慮任務(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。

在軌裝配太空望遠鏡是機器人在軌裝配的候選計劃。雖然目前所有的軌道望遠鏡都是通過單次發(fā)射進入軌道并作為獨立單元部署，但某些新的設(shè)計模塊由于體積過大無法實現(xiàn)單次整體發(fā)射并完成部署。NASA已委托一項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報告顯示，機器人裝配將為未來的系外行星表征儀器提供風(fēng)險評估和成本效益，報告建議使用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)布報告對這一概念進行了概述：近十多年來，研究人員和專家建議實現(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）上實現(xiàn)了在軌制造。

根據(jù) IDA STPI發(fā)布的報告顯示：寄宿科學(xué)、商業(yè)以及軍事有效載荷的持久運行平臺也可實現(xiàn)在軌裝配。該概念的基本思想是裝配一個具有連接器的結(jié)構(gòu)，該連接器可隨時向多個載荷提供電力和通信服務(wù)。持久性運行平臺可提供姿態(tài)控制、軌道維護以及實用程序服務(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，太空拖船對于實現(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)將為未來的太空機器人系統(tǒng)以及機器人空間站的建立提供大量有價值的數(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)纖維項目，RSS可作為該項目的進一步開發(fā)測試平臺，甚至用作實際的生產(chǎn)平臺。隨著新興技術(shù)、應(yīng)用的投入以及空間站商業(yè)活動的增加，RSS應(yīng)借鑒ISS的商業(yè)發(fā)展經(jīng)驗，以公私合作方式運行，減少RSS運行成本對政府預(yù)算的影響，并為空間站的設(shè)計和運行帶來更大的靈活性。以上提到的服務(wù)性任務(wù)將為未來的太空機器人系統(tǒng)以及機器人空間站的建立提供大量有價值的數(shù)據(jù)信息。

二、機器人空間站設(shè)計要求

①RSS必須以機器人的方式構(gòu)建，依托私人企業(yè)和實驗室正在快速推進的機器人技術(shù)，如諾格公司及其合作伙伴在機器人裝配和服務(wù)性商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施（CIRAS）項目中開發(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)提供一個封閉的空間，以保護設(shè)備免受微隕石影響，可通過互鎖方式自動構(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。④為便于所有處理程序和裝配過程通過機器人執(zhí)行，RSS應(yīng)首先構(gòu)建可連接其他部分的中央桁架模塊，且每個交付組件及科學(xué)模塊必須包含可連接機載機器人系統(tǒng)的接口；⑤RSS的設(shè)計計劃必須包括自動維護和修理的能力，如：減少冗余以避免維持國際空間站運行的關(guān)鍵機器人出現(xiàn)單點故障；在無法進行修復(fù)時更換某些組件；開發(fā)機器人自動修復(fù)功能，包括在軌制造的使用。

三、RSS的開發(fā)動機

加速機器人技術(shù)進入地球軌道，刺激太空經(jīng)濟的發(fā)展；測試最終用于人類太空探索任務(wù)的機器人；為軌道天體物理觀測臺等系統(tǒng)驗證機器人裝配概念。RSS可提供ISS目前提供的許多功能：部署小型LEO衛(wèi)星；在受保護空間內(nèi)進行科學(xué)實驗；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)進行有益于商業(yè)、民用或國家安全應(yīng)用的實驗。

四、美國政府提供的技術(shù)支持

政府資助的用于構(gòu)建/運行RSS的技術(shù)包括：RSS的框架建筑設(shè)備和技術(shù)，如“機器人裝配與服務(wù)商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施”（CIRAS）項目開發(fā)的技術(shù)；收回有效載荷的大型外部機械臂，如下一代大型“加拿大機械臂”；操控/裝配有效載荷的較小型機械臂，如Dragonfly項目；收回軌道車輛和太空拖船的機器人手臂，如由MDA-US系統(tǒng)公司為RSGS和重返月球計劃（Restore-L）計劃開發(fā)的“FREND”手臂；用于機器人手臂自動抓取操作的軟件系統(tǒng)，如美海軍研究實驗室正在為RSGS計劃開發(fā)的技術(shù)。將這些技術(shù)與工業(yè)界技術(shù)相結(jié)合，可推動商業(yè)機器人能力蓬勃發(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)計機器人，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)展的地面機器人技術(shù)促進太空機器人技術(shù)的擴展；為未來的太空探索任務(wù)降低風(fēng)險；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)星和運載火箭集成到機器人空間站的后勤系統(tǒng)中，并利用一些支持性技術(shù)實現(xiàn)更強大的太空物流基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

與航天員空間站相比，機器人空間站運行成本及性能需求較低，但其設(shè)計、開發(fā)和部署仍是一項重大事業(yè)。機器人空間站可以執(zhí)行大量有價值的功能，是推動機器人技術(shù)進入太空的最重要的節(jié)點。除了預(yù)先為RSS設(shè)想的功能外，機器人技術(shù)的靈活性還將使其具備執(zhí)行其他任務(wù)的能力，實現(xiàn)更大的商業(yè)價值，推動人類深空探索任務(wù)的擴展，進而開啟真正的太空機器人時代。