Роботы в космической деятельности

Робототехника играет важную роль в космических исследованиях и миссиях. Роботы используется для исследования планет и других небесных тел (исследование территорий, сбор грунта, изучение геологической структуры и т. п). Для технического обслуживания и ремонта космических аппаратов, включая спутники и станции, снижая необходимость выхода астронавтов в открытый космос. С помощью роботов можно собирать и монтировать модули и компоненты космических станций или других космических аппаратов, производить установку солнечных батарей или сборку других структурных компонентов.

Роботы-манипуляторы могут выполнять различные операции на орбите, такие как захват, перемещение или ремонт космических объектов. Роботы-помощники могут облегчать работу астронавтов на борту космических станций, предоставляя помощь в выполнении рутинных задач, обслуживании систем, контроле среды и обеспечении безопасности экипажа.

Развитие космических программ в США, Европе, Китае, России и Индии способствует росту спроса на передовую робототехнику. Космос является экстремальной средой, и стоимость обеспечения жизнедеятельности человека в космосе весьма дорога, так что космическая робототехника во многих случаях является оправданной альтернативой. Согласно отчету Global Market Insights [ "242" ], мировой рынок робототехнических систем для использования в космической деятельности в 2022 г. составил 3 млрд долл. К данному рынку авторы исследования относят роверы/лендеры, зонды, манипуляторные системы, а также сопутствующее программное обеспечение и ИТ услуги.

Комментируя структуру рынка аппаратной части робототехнических космических систем, авторы упомянутого исследования дают примерно следующее распределение сегментов этого рынка: на роверы/лендеры приходится чуть менее половины рынка, около 30% на зонды, 15% на манипуляторные системы и менее 10% на прочие системы. Дадим краткое описание выделенных категорий космических роботизированных аппаратов.

Роверы (такие как "Луноход-1" или марсоходы НАСА, такие как Spirit и Opportunity) - это дистанционно управляемые, роботизированные аппараты, предназначенные для передвижения по поверхности планет или других небесных тел.

Лендеры относятся к роботизированным системам, предназначенным для безопасного спуска и посадки на планетарную поверхность. Эти аппараты должны достичь поверхности планеты и продержаться в течение достаточно длительного периода, чтобы передать телеметрические данные на Землю.

В отличие от роверов, лендеры не предполагают необходимости двигаться после приземления. Их задача - развертывание научных приборов, экспериментов или стационарных платформ для изучения окружающей среды и сбора данных.

В качестве примера успешных реализаций таких космороботов можно привести отечественные программы "Венера" (с 1961 г.) и "Вега" (1984 г.), которые позволили последовательно, уточняя параметры атмосферы (состав, температура и давление), осуществить зондирование и, впоследствии, успешную посадку на поверхность.

В качестве примера можно привести успешные советские посадочные аппараты "Венера", которые выжили в суровых условиях планеты, провели анализ химического состава пород и передали изображения, американские посадочные аппараты "Викинг" компании JPL на Марсе и посадочные аппараты серии Surveyor на Луне, которые проводили аналогичные эксперименты [ "243" ].

Космические зонды - это беспилотные корабли, отправляемые в космос для исследования планет и других небесных объектов, такие как, например, российский зонд "Венера" или американский "Вояджер". "Венера-1" - советская автоматическая межпланетная станция, предназначенная для исследования планеты Венера, стала первым космическим аппаратом, пролетевшим в мае 1961 года на близком расстоянии от Венеры.

В серии "Вояджер" было два аппарата - "Voyager-1" и "Voyager-2", они были созданы в Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory - JPL) НАСА. Беспилотные корабли были запущены в 1977 г. Главная задача, которая ставилась перед аппаратом "Voyager", - исследование Сатурна и Юпитера. "Voyager-2" стал первым земным аппаратом, достигшим Нептуна и Урана.

Манипуляторные системы - это механические руки с захватами для выполнения различных задач в космосе, включая задачи технического обслуживания, ремонта и сборки в космосе.

Космические манипуляторы имеют самое непосредственное отношение к робототехнике, и о них расскажем чуть подробнее.

Один из первых роботизированных манипуляторов Canadarm был создан Канадским космическим агентством и использовался на шаттлах для перемещения грузов в космосе. Манипулятор длиной более 15 м и грузоподъемностью более 3 т имел 6 степеней свободы, располагался в грузовом отсеке шаттла и управлялся дистанционно из кабины. Впервые механическая рука была использована на американском шаттле Колумбия в 1981 г. Стоимость первого космического манипулятора Canadarm составила 70 млн долл., последующие 4 экземпляра были изготовлены за 60 млн долларов. Манипулятор использовался в 50 миссиях, в том числе для захвата телескопа Хаббл, перемещения и выгрузки более 200 тонн компонентов МКС и перемещения астронавтов.

В СССР была спроектирована и выпущена система бортовых манипуляторов "Аист", разработанная в ЦНИИ РТК, которая состояла из двух манипуляторов и предназначалась для орбитального корабля "Буран". В отличие от канадской Canadarm, управление установкой уже в те времена было предусмотрено как из космоса, так и с Земли. В 2004 г. по заказу Европейского космического агентства консорциумом европейских космических фирм был разработан Европейский дистанционно управляемый космический манипулятор ERA (European Robotic Arm). Манипулятор длиной 11 метров имеет семь степеней свободы. В 2021 году манипулятор ERA был установлен на многофункциональный лабораторный модуль "Наука". В 2022 г. для интеграции манипулятора в Российский сегмент МКС было проведено несколько выходов в открытый космос.

Из перспективных следует упомянуть проект, разрабатываемый Лабораторией NASA Jet Propulsion Laboratory в Южной Калифорнии (манипулятор носит имя COLDArm (Cold Operable Lunar Deployable Arm)). Цель проекта - повысить эффективность роботизированных рук для лунных миссий при очень низких температурах, в том числе во время лунной ночи, когда температура может опускаться ниже -173 градуса по Цельсию. Роботизированная рука может выполнять различные задачи при экстремально низких температурах, такие как забор и анализ лунного грунта, установка приборов и фотосъемка окрестностей. Конструкция COLDArm включает специальные шестерни и контроллеры двигателей, которые могут работать при экстремальных температурах. В ноябре 2023 года COLDArm прошла успешное тестирование в камере, при температуре минус 180 C, что подтверждает, что механическая рука может выдержать условия, с которыми она столкнется на поверхности Луны.

Говоря о применении космической робототехники в России, уместно сослаться на доклад, представленный на конференции по экстремальной робототехнике 2023 г. от компании "Роскосмос". Согласно упомянутому докладу, в создании космической робототехники в России выделяется 4 основных направления (см. табл. 12.1).

Говоря о космических роботах, разрабатываемых в России в последнее время, можно упомянуть несколько проектов. Летом 2019 года на МКС побывал антропоморфный робот "Федор", разработанный специалистами магнитогорского НПО "Андроидная техника" по заказу Фонда перспективных исследований. Во время нахождения на МКС роботом управляли космонавты при помощи специального костюма-аватара. Базируясь на опыте проекта "Федор", в НПО "Андроидная техника" разрабатывается новый механизм, получивший название "Испытатель".

НПО "Андроидная техника" работает также над проектом "Теледроид". "Теледроид" - это антропоморфный робот, который разрабатывается в сотрудничестве с компанией "Роскосмос" для работы в агрессивной среде открытого космоса. Устройство может управляться как с Земли, так и на борту орбитальный станции. Планируется, что робот будет работать в открытом космосе, выполняя типовые операции в копирующем и в автоматическом режимах, что позволит сократить время пребывания человека в открытом космосе. В 2022 г. НПО "Андроидная техника" сообщила о завершении разработки робота и задающего устройства копирующего типа, с помощью которого будет производиться управление "Теледроидом".

Еще один проект, в котором головным исполнителем является РКК Энергия, а соисполнителями ЦНИИ РТК и "Андроидная техника" - это Косморобот. Это мобильный робот, который совмещает ряд функций, включая перемещения по поручням и такелажным элементам на внешней поверхности космического аппарата, работу с полезным грузом (до 200 кг), стыковку электросоединителей, инспекцию внешней поверхности космического аппарата, выполнение операций с помощью сменного инструмента, а также проведение операций по поддержке внекорабельной деятельности космонавтов.

Ключевой отличительной особенностью следует отметить мобильность Косморобота. Применение блока аккумуляторных батарей позволяет выполнять ряд операций автономно: в первую очередь передвижения по внешней поверхности российского сегмента МКС и типовые технологические операции.

В 2018 г. был закончен этап разработки рабочей конструкторской документации на создание опытных образцов "Косморобота".