欧玛推进器(用来拯救以及回收卫星的机器人)

Posted 2023-05-30

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欧玛推进器(用来拯救以及回收卫星的机器人)

当卫星破裂时（这常常令人惊讶），我们可能无能为力。它们变成昂贵而危险的漂浮物，在地球上空运行了好几代或几代人，直到重力最终将它们引向大气中的火热死亡。

辛辛那提大学（University of Cincinnati）教授欧马（Ou Ma）在他的智能机器人和自治系统实验室中致力于工程机器人技术的研究，以修复轨道卫星。他设想机器人卫星可以与其他卫星对接进行维修或加油。

欧马说每次发射卫星都会出错一百万次。但是对于大多数故障来说，一旦卫星部署。据SpaceNews报道，一颗价值4亿美元的Intelsat卫星在到达高椭圆轨道后，今年发生了故障，其大小相当于一辆小型校车。今年，SpaceX发射的前60颗Starlink卫星中的几颗也发生了故障，但它们的低地球轨道旨在在短短几年内消失。

可能是有史以来最著名的卫星故障，发生在1990年，当时哈勃太空望远镜仅被部署用于NASA以了解其昂贵的镜子被扭曲了。随后在1993年奋进号航天飞机上进行的维修任务更换了镜子，以提供令人惊讶的宇宙图像。欧马说，将人类送往太空进行卫星维修非常昂贵。航天飞机上的宇航员执行了随后的四次哈勃服务任务，总耗资数十亿美元。

有故障的卫星困扰着从日本到俄罗斯的大多数国际太空计划。问题不仅限于地球轨道。1999年，由于工程师在推进器软件中使用磅而非公制牛顿，导致NASA轨道器坠入火星。推进器的发射力比预期的少四倍，航天器的轨道非常低。欧马说，每次发射都无法修复卫星，这成为一个更加紧迫的问题。

欧马说：“大型商业卫星价格昂贵。它们耗尽燃料，发生故障或崩溃。” “他们希望能够在那里进行修复，但是如今已经不可能了。”NASA希望改变这种状况。该机构将于2022年发射一颗能够为低地球轨道上的其他卫星加油的卫星。目标是拦截并为美国政府的卫星加油。美国宇航局说，名为Restore-L的项目有望为自主卫星维修提供概念证明。

科罗拉多州一家名为Maxar的公司正在为该项目提供航天器基础设施和机械臂。Maxar首席机器人专家约翰·莱默（John Lymer）说，大多数卫星都是因为耗尽了燃料而停止使用的，而不是因为严重故障。他说，单靠加油将为航空业带来福音。

他说：“您正在淘汰一颗质量很好的卫星，因为它的汽油已经用完了。”莱默说，他熟悉欧马在他的智能机器人和自治系统实验室中所做的工作。“与我合作多年的欧玛（Ou Ma）致力于会合和邻近组织。那里有各种各样的技术解决方案。有些会比其他的要好。这是关于获得操作经验以找出谁的算法更好什么最大程度地降低了操作风险。”莱默（Lymer）表示，该行业已准备就绪，将为像加州大学（UC）的航空工程专业学生创造福音。他说：“我认为这是未来。我们将爬进它，而不是飞跃。”在欧马的实验室中，学生正在研究卫星需要与太空中其他卫星对接的自动导航。这是一项棘手的事情，因为零重力的意外碰撞会导致一辆或两辆汽车翻滚。

辛辛那提大学工程学教授欧马（Ou Ma）正在研究卫星修复或补充太空中其他卫星所需的基本技术。图片来源：Andrew Higley / UC Creative Services

欧马说：“很容易使它在太空中翻滚，因为没有东西握住它。卫星变得更难抓。如果它开始翻滚，它基本上可以永远翻滚。它不会自行停止。”他说，工程仿真可以预测目标卫星的动态行为，因此接近的卫星可以安全地捕获目标卫星。他说：“我们拥有仿真工具，因此可以从那里准确预测其行为。”

欧马说：“在太空中抓东西确实很困难。要抓取那些在太空中翻滚的东西则更加困难。” “您必须非常小心地预测动态行为并执行精确的控制，以便可以'翻转'卫星并轻轻地抓住它。”

辛辛那提大学航空工程系的学生孙玉峰（Yufeng Sun）拥有一台激光扫描仪，用于测量和渲染三维物体。图片来源：Andrew Higley / UC Creative Services

欧马将远程卫星导航与最新的无人驾驶汽车技术进行了比较。在他的实验室中，学生使用鞋盒大小的机器人在看起来像冰球曲棍球台上移动的机器人来测试这些算法。但这是像微型气垫船一样提供空气缓冲以模仿太空微重力环境的机器人。

博士候选人安德鲁·巴特（Andrew Barth）解释了它是如何工作的。他说：“目前，它基本上只是一个试验台。它具有一个范围传感器，摄像头和一个惯性测量单元，在下面看不见。” “它与致动器和八个定向推进器一起移动，以将其推动在工作台周围。”Barth说，虽然仅限于在X和Y轴上移动，但是导航概念可以应用于三个维度。

欧马还在研究卫星进行远程维修所需的复杂机器人技术。他的实验室有几个工业大小的机械臂，带有七个关节，可以使它们进行全方位的运动。欧马说，最有用的维修卫星将能够完成多项任务。在他的职业生涯中，他从事过与国际空间站和以前的航天飞机计划有关的机械手臂的各种项目。他的签名飘浮在空间站上一台设备上的轨道上。

“这台机器人将对算法和传感器技术进行一些控制测试，”欧马指出，他的实验室中有一个人类大小的机器人手臂。“我们不是在模拟特定的任务，而是在未来的任务中使用经过测试的新技术。”Ma和UC的高级研究助理Anoop Sathyan在他的实验室中，正在开发可以独立工作但可以共同完成一项共同任务的机器人网络。

辛辛那提大学（University of Cincinnati）正在研究使机器人独立运行但可以协作完成任务的方法。图片来源：Andrew Higley / UC Creative Services

对于他们的最新研究，Ma和Sathyan通过一个新颖的游戏对一组机器人进行了测试，该游戏使用字符串将附加的令牌移动到桌子上的指定位置。由于每个机器人仅控制一根绳子，因此他们需要其他机器人的配合，以通过响应于每个机器人的动作增加或放松绳子上的张力来将令牌移动到正确的位置。

使用称为遗传模糊逻辑的人工智能，研究人员能够获得三个机器人，然后再获得五个机器人将令牌移动到研究人员想要的位置。他们的结果发表在本月的《机器人杂志》上。研究人员发现，通过使用五个机器人，即使其中一个机器人发生故障，集体也可以完成任务。研究人员总结说：“对于数量众多的机器人，尤其是单个机器人的责任较低的问题，尤其如此。”

在他的大部分职业生涯中，欧马一直对太空感兴趣。在新墨西哥州立大学，他设计了模仿低重力的机械线束。戴着安全带的学生可以在地球重力的六分之一的跑步机上“跳动”，或者在篮球场上制作高高的扣篮。

欧马说，由于失败的高昂费用，在太空中固定卫星已成为航空业越来越重要的优先事项。欧马说：“还不是很实用。这项技术仍在开发中。” “但是我预想，在技术成熟的五到十年内，他们将开始商业化该技术以固定卫星。”美国国防高级研究计划局前项目经理戈登·罗斯勒（Gordon Roesler）告诉《天文学》杂志，一旦卫星发射就无法修理或修改，从经济上讲是没有道理的。他说：“没有其他[例子]，我们建造的东西价值达五亿美元或十亿美元，一旦失误再也看不到了。”公司将不得不考虑到远程维修或服务来制造卫星。如今，大多数卫星都太脆弱了，以至于无法远程遥控而不会造成损坏。

巴尔特说：“即使您愿意，今天也无法维修太多卫星。新卫星将需要通行门以适应基本维修和对接目标，以帮助进场。”时间就是生命。唐纳德·凯斯勒（Donald Kessler）提出的理论认为，随着每次发射和每颗失败的卫星，近地轨道都将接近凯斯勒效应，正如理论小说中的2013年奥斯卡金像奖影片《重力》所描述的那样，卫星碰撞可能产生一系列碎片，从而阻碍了未来发射的安全性。”

欧马说：“考虑一下这些物体的速度。我们不是在谈论高速公路的速度，甚至不是飞机的速度。它们以每小时17,000英里的速度行驶。”欧马说，太空是由政府机构主导的领域，以进行探索和发现。但是，这个领域正处于商业化的风口浪尖，这为想要追求的毕业生提供了许多航空航天工程工作。

他说：“最终，太空商业化将是一个大产业。”他的研究有助于推动知识前沿，为未来的太空项目铺平道路。

欧马说：“我们没有在开发整个任务。我们正在开发底层技术。” “一旦这项技术得到验证，NASA或商业公司将把它带到下一步。”在尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）担任航空工程学教授的大学里，第一步可能很重要。