Космічна робототехніка. Від низької орбіти до нескінченної глибини

Кожен з нас знає і розуміє значення слова "робот". Термін був популяризований чеським письменником Карелом Чапеком у його знаменитій п’єсі "Rossumovi univerzální roboti" в 1921 році в контексті штучного будови, побудованого в образі людини — замінити його на роботі. Подальше, термін "робот" походить від чеського слова "робот", що означає робота. З наукової точки зору, роботи — це машини, призначені для позбавлення людей від виконання важких і небезпечних завдань — а часто також і тих, які людина не змогла б виконати через смертельну екологічну обстановку або необхідність забезпечити дорогий додатковий захист. Отже, роботи все частіше ставатимуть піонерами космічних експедицій, прокладаючи шлях для негостинного позаземного простору.

Космічні роботи можуть бути використані багатьма способами в космічних дослідженнях. Найближча орбіта навколо Землі і недалеко від реалізації — також розробляється в Польщі — це технології, пов'язані з активним видаленням так званого космічного сміття (включаючи останні етапи запуску ракет або неактивних супутників, які залишаються на орбіті). Розглядаються різні способи їх видалення, наприклад, метод, заснований на використанні маніпулятора, встановленого на безпілотному супутнику захоплення. В кінці такого маніпулятора є захват, який «ловить» космічні залишки, а на наступному етапі виводить їх з орбіти.

Прикладом такого використання робототехніки може бути місія Європейського космічного агентства (ESA) e.Deorbit, яка мала бути першою в світі місією, що демонструє можливості активного вивезення космічного сміття. Завдяки цій місії потрібно було знешкодити одне з найбільших космічних сміття — непрацюючий супутник Envisat.

Центр космічних досліджень Польської академії наук взяв участь у місії e.Deorbit на фазі B1, в рамках якої, серед інших, очолювала команда PAS CBK. роботи, пов’язані з дизайном захоплення. CBK PAN також брав участь у фазі консолідації цієї місії, в якій нашим завданням було розробити систему управління маніпулятором та перевірити розроблену систему управління на основі чисельних моделювань. Ця система мала обмежувати навантаження, що виникають при закритті затискного механізму на кільці ЛАР. На жаль, у 2018 році ESA вийшов з місії з фінансових причин.

Сервісні місії, що продовжують термін служби супутників, — це ще один тип космічних роботів. Термін служби орбітального супутника обмежений кількістю палива на борту і відмовою його приладів. Певні операції такого типу в минулому проходили за участю човників, де, однак, дії здійснювалися переважно за участю космонавтів, які мали під контролем функціонування використовуваної роботизованої зброї. Однак цього року супутник автономної служби MEV-1 здійснив успішний дебют на геосинхронній орбіті, який 25 лютого вдало вивів з ладу супутник Intelsat-901 для відновлення його роботи в квітні.

Ще одне очікуване застосування космічних роботів — це місії, пов'язані зі збиранням великих конструкцій на орбіті. В даний час такі споруди (виняток становить Міжнародна космічна станція) будуються на Землі, а потім відправляються на орбіту одним шматком. Таким чином, розмір конструкції обмежений розміром навантажувального покриття. Їх допустима вага також обмежена.

зображення
Приклад роботи космічного робота — супутникове деорбітування. Ілюстрація: ESA — Девід Дукрос [esa.int]

 

Для подолання цих обмежень великі космічні структури (наприклад, великі телескопи або орбітальні електростанції) повинні бути вислані на орбіту у вигляді модулів, які потім з'єднані разом на орбіту. Складання такої великої конструкції вимагає декількох завдань, таких як захоплення модулів, їх з'єднання, фіксація або скручування. Використання космічних роботів у місіях обслуговування та складання здається ідеальним рішенням — тим більше, що вони можуть працювати у ворожих умовах довгий час і особливо корисні, коли справа стосується виконання повторюваних завдань.

Найкращим рішенням буде використання робота, оснащеного кількома маніпуляторами, що співпрацюють один з одним. Управління космічним маніпулятором є складною проблемою, через мікрогравітацію рух такого маніпулятора впливає на положення та орієнтацію супутника. Створений таким чином імпульс, у свою чергу, впливає на положення та орієнтацію працюючого члена маніпулятора. Для робота, оснащеного кількома маніпуляторами, ситуація стає ще складнішою.

Вчені та інженери з CBK PAS вже багато років займаються побудовою космічних маніпуляторів та питаннями планування траєкторій та контролю космічного робота в орбітальних умовах. Наприклад, були розроблені прототип багатозадачного супутникового маніпулятора WMS Lemur та спеціальна система управління. Також були створені різноманітні тренажери, присвячені орбітальній робототехніці, на яких були проведені чисельні моделювання для перевірки правильності розроблених алгоритмів.

Крім того, CBK PAN має єдиний тестовий стенд у Польщі, який дозволяє експериментально перевірити розроблені алгоритми планування траєкторій та управління космічними роботами в літаку. Космічний робот, що складається з моделі супутника, оснащеного надлишковим маніпулятором, рухається по столу, використовуючи повітряні підшипники, щоб змоделювати умови мікрогравітації. Крім того, у новоствореному відділенні CBK PAN у Зелоні Горі, де, серед інших Роботи, пов'язані з розробкою систем управління космічними маніпуляторами та їх апаратною реалізацією, продовжуються, найближчим часом буде створений спеціальний «пул», який також дозволить моделювати умови мікрогравітації. Слід додати, що багато проектів CBK PAN реалізовувались у співпраці з польськими та іноземними компаніями.

Працюючи над робототехнікою, незалежно від мети роботи робота, завжди слід пам’ятати про три закони робототехніки Асимова — робот не може завдати шкоди людині, він повинен підкорятися (якщо це не суперечить першому закону), він повинен захищати себе (якщо це не це суперечить першому чи другому закону).

доктор Фатіна Ліліана Басмаджі, доцент

Лабораторія мехатроніки та супутникової робототехніки CBK PAN

Facebook Comments