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中国航天员出舱,美俄却在用机器人代替宇航员,太空行走将过时?

中国神舟十二号航天员刘伯明和汤洪波完成天宫空间站首次出舱任务,经过6个多小时太空行走后安全返回气闸舱,这是中国航天史的一次伟大成就,华夏儿女为之振奋,全球各大媒体也对此进行了报道。

中国空间站首次太空行走

几乎就在同时,有西方媒体爆出,美国现在能用的舱外航天服只有4套了。这仅剩的4套航天服是1975年开始为航天飞机项目制造,早就超过了15年服役期,存在严重故障风险,其中的一些关键部件比如二氧化碳传感器等等早已不再生产,甚至连当初的供应商都消失多年。照这样下去,国际空间站出舱维修活动将被迫停止。

美国仅剩4套舱外航天服

NASA对这一切似乎并不着急,他们投入25亿美元研制的新航天服xEMU不适用于国际空间站,它专为阿尔忒弥斯登月计划设计,并且目前这套史上最贵航天服的研发进展似乎不太顺利。

有美国NASA专家认为,ISS已经老旧,几年内退役似不可避免;依靠宇航员太空行走来维修维护航天器是一种过时的技术,未来美国应瞄准舱外机器人来接替人类活动,以降低风险和成本。

即便有厚重的航天服保护,宇航员在太空中依然会受到微流星和太空垃圾的威胁,太阳耀斑爆发抛射出来的带电粒子风暴和致命宇宙射线也时刻威胁宇航员健康,在太空恶劣环境里,航天服所能提供的保护非常有限,与其让宇航员用生命去冒险,不如想办法用机器代替他们工作。

NASA试图用机器人取代人类出舱

2007年,NASA与通用公司联合在第一代空间机器人Robonaut 1的基础上研制新一代机器人宇航员Robonaut 2(R2),2011年初,R2被送到国际空间站进行在轨试验。R2被做成人的形状,2014年又被装上两条修长的大腿,可以手脚并用在空间站里爬行。

机械宇航员R2全身共有42个自由度,它有比较灵活的双手,集成了三维腕力传感器、接触力传感器、角度及位移传感器等共约300多个传感器,其手臂最快移动速度为每秒2米、负载能力约18公斤、手的抓握力约2.2公斤。

R2并不智能,准确说它就是一台人形遥控机器,控制人员通过安装在机器人头部的视觉相机观察目标,同时穿戴一套人机交互设备来控制机器人的动作。

Robonaut 2

作为航天大国,俄罗斯也没闲着。2019年8月,一个名为费多尔(Fedor)的人形机器搭乘联盟号飞船进入空间站,俄罗斯宇航员对它进行了在轨试验。在宇航员的操控下,费多尔既能完成开闭舱门等粗重工作,也能做诸如拔插头之类的精细活儿,但在9月6号它再返回地球时就无法启动了。

日本做的小机器人在空间站里只是个用来逗乐解乏的玩具,此处略过不提。

俄罗斯机器人Fedor

如果你认为机器人宇航员这种高大上的东西只有美国和俄罗斯在搞,那就大错特错了。2016年9月天宫二号发射时,它就随舱携带了一个与人手一样的机械手。

中国机械手由哈工大、航天五院和北理工联合研制,它与你我的手看起来并没什么差异,但相比于美俄的机器人却灵巧许多。中国机械臂不仅能进行7个自由度运动,机械手还能完成旋拧插拔电电缆插头、撕开多层防护层、熟练使用电动工具松紧螺钉;它可以按照要求将物体放到规定位置,还可以轻松抓住漂浮在空中的小球。

中国机械手在天宫二号的实验照片

做拔插头按开关之类的动作离不开手眼相机与机械手的配合,空中抓放运动物体实验还需要仰仗一种被称为全局相机的视觉传感器和视场靶标。如果你稍细心些,就能发现咱们天和核心舱里也有这么一个视场靶标,至于说这个靶标到底是拿来干什么用,咱也不敢乱讲,你可以试着猜一猜。

机械手实验与视场靶标

可能有小伙伴说,人家美国俄罗斯已经做出了机器人,总的说来还是领先了一步。这你就有所不知,美国的R2尽管有胳膊有腿,它可是一步也没迈出过国际空间站的舱门。为啥?因为舱外环境与舱内环境它完全不是一回事。

机械手之所以能灵巧地运动,要仰仗它里边精密的电动机、高可靠性电路、高度敏感的各种传感器,还有一大堆处理器配合运算,这些东西能在空间站严密保护的舱体内运行,不代表在真空、极端温度和强烈辐射环境下也能保持正常。而万一其中某些电路出现问题,它造成的后果可能是灾难性的,因此科学家们必须慎之又慎。

机械手电路与控制图

到目前为止,无论是国际空间站外的几条机械臂还是中国空间站天和机械臂,都已经经受了严酷环境的考验,这证明只要做好防护,敏感的电子器件也能长时间在舱外运行。

通过天宫二号任务对机械手的在轨实验,我们验证了机械手的软硬件设计、人机协同以及远程遥控操作等技术,相信经过这几年的升级与改进,咱们中国机械手将能率先在实验舱外实验平台大显身手。

某国对中国空间站机械手的想象

至于说航天员太空行走会不会过时,我认为从长远来看,机械手、舱外机器人协助或取代人类进行高危操作是必然趋势。但在未来五到十年中,空间站外的照料工作始终离不开人类亲力亲为,因为人工智能的发展以及相关技术的进步还需要时间来积淀。在先进与稳妥之间,航天机构往往会倾向于后者,所以航天员出舱活动在相当长时间里依然是必要的。