修复和为在太空中搁浅的卫星加油的智能卫星

孙玉峰,航空航天工程系学生

辛辛那提大学航空航天工程系学生孙玉峰手持激光扫描仪,用于测量和渲染三维物体。资料来源:Andrew Higley/UC创意服务

航空航天工程师正在开发技术来维修和加油空间破碎的卫星。

当卫星坏掉的时候(这种情况经常发生),你几乎无能为力。

它们变得昂贵且危险的浮子,多年或世代轨道地球,直到重力最终将它们吸引到大气中的火热死亡。

辛辛那提大学欧马教授是工程机器人技术,在他的智能机器人和自治系统实验室修复轨道卫星。他设想了可以与其他卫星码头进行维修或加油的机器人卫星。

该项目展示了加州大学在其战略方向“Next Lives Here”所描述的研究承诺。

虚拟现实模拟器

辛辛那提大学工程教授欧马和他的学生使用虚拟现实模拟器来检查国际空间站。资料来源:Andrew Higley/UC创意服务

马马说,每件卫星发射都会出错。但对于大多数毛刺而言,一旦部署卫星就可以完成任何东西。

根据SpaceNews的说法,今年在达到高椭圆形轨道后,4亿美元的Intelsat卫星在今年的小型校车出现故障。前60个Starlink卫星的几个spacex.今年可能发生故障,但他们的低地地球轨道旨在在几年内腐烂到遗忘。

也许有史以来最着名的卫星故障在1990年发生哈勃太空望远镜部署只是为了美国宇航局才知道它那昂贵的镜子是扭曲的。随后在1993年,奋进号航天飞机进行了一次修复任务,取代了这面镜子,提供了令人惊叹的宇宙图像。

马说,将人类送入太空进行卫星维修的费用非常昂贵。随后的四次哈勃服务任务总共花费了数十亿美元,都是由航天飞机上的宇航员完成的。

从日本到俄罗斯,大多数国际空间项目都受到了卫星故障的困扰。这个问题并不局限于地球轨道。1999年,美国宇航局的轨道飞行器与火星因为工程师在推进器软件中使用磅而不是公制牛顿。推进器的点火力比预期的小四倍,飞船的轨道也非常低。

智能机器人与自主系统实验室

欧马智能机器人与自主系统实验室的学生让机器人能够独立工作,但也能合作完成任务。资料来源:Andrew Higley/UC创意服务

他说,每一次卫星发射,无法修复卫星就成为一个更紧迫的问题。

“大商业卫星成本高昂。他们耗尽了燃料或故障或崩溃,“马马说。“他们希望能够在那里进行解决,但现在这是不可能的。”

美国宇航局希望改变这一现状。2022年,该机构将发射一颗能够为近地轨道上的其他卫星加油的卫星。其目标是拦截一颗美国政府卫星并为其补充燃料。NASA表示,这个名为Restore-L的项目有望为自主卫星维修提供概念证明。

科罗拉多的一家公司Maxar为该项目提供航天器基础设施和机械臂。

美国国家航空航天局的Restore-L任务

这是美国国家航空航天局(NASA)“恢复- l”(Restore-L)计划发射的卫星,可以修复低地球轨道上的其他卫星或为其补充燃料。信贷:Maxar

大多数卫星陷入废物,因为它们的燃料供应 - 不是来自严重的故障,这是Maxar的首席机器人的John Lymer表示。他说,单独加油将是一个为行业的福音。

他说:“你要让一颗很好的卫星退役,因为它没油了。”

莱默说,他很熟悉马云在他的智能机器人和自主系统实验室所做的工作。

“欧马,我曾多年合作过度,涉及聚会和近距离组织。那里有各种技术解决方案。有些人会比其他人更好。它是关于获得运营体验,找出谁的算法更好,最低减少操作风险。“

Lymer表示,该行业准备起飞,为UC的航空工程学生创造一个福音。

“我认为这就是未来。我们将爬进去,而不是跳进去,”他说。

在MA的实验室中,学生正在研究自动导航,卫星需要在太空中与其他卫星停靠。这是棘手的业务,因为零重力的无意中凸起可以发送一个或两个车辆翻滚。

“在太空中很容易让它翻转,因为没有东西能支撑它。这样卫星就更难以捕获了。如果它开始翻滚,它基本上可以一直翻滚下去。它不会自己停下来,”马云说。

欧马教授

辛辛那提大学(University of Cincinnati)教授欧马(Ou Ma)在他的实验室里戴着虚拟现实眼镜。马云正致力于卫星的基础技术,以修复太空中的其他卫星。资料来源:Andrew Higley/UC创意服务

工程模拟可以预测目标卫星的动态行为,以便接近的卫星可以安全地拦截它,他说。

“我们有仿真工具,所以我们可以准确地预测其行为,”他说。

“抓住太空中的东西真的很难。并抓住空间翻滚的东西更加困难,“马说。“你必须非常小心预测动态行为并执行精确的控制,以便您能够”脱掉“卫星并轻轻抓住它。”

马达比较了远程卫星导航到最新的无人驾驶汽车技术。在他的实验室中,学生使用鞋盒大小的机器人来测试这些算法,这些算法在外观上移动时看起来像空中曲棍球表。但是它是提供像微型气垫船的空气缓冲的机器人,以模仿空间的微匍匐环境。

“一旦这项技术被证明,美国宇航局或商业公司将把它带到下一步。”— Ou Ma, UC aerospace engineering professor

博士候选人Andrew Barth解释了它是如何工作的。

“现在它只是一个测试台基本上。它有一个范围传感器,相机和惯性测量单元,你无法看到下面,“他说。“它与执行器和八个方向推进器一起移动,以将其推向桌面上。”

虽然它仅限于在X轴和Y轴上移动,但导航概念可以应用于三维空间,Barth说。

MA也在努力卫星进行遥控器所需的复杂机器人。他的实验室有几种工业大小的机器人臂,具有七个关节,给他们提供全方位的运动。

马军说,这颗最有用的修复卫星将能够完成多项任务。在他的职业生涯中,他参与了与国际空间站上的机械臂和前航天飞机项目有关的各种项目。他的签名是漂浮在轨道上的一件设备上的空间站。

机器人独立协作地工作

欧马的智能机器人和自主系统实验室的学生们正在让机器人独立工作,但要与其他机器人协作完成任务。资料来源:Andrew Higley/UC创意服务

“这个机器人将做一些算法和传感器技术的控制测试,”马军指着他实验室里的一个人大小的机械臂说。“我们模拟的不是特定的任务,而是经过测试的新技术,可以用于未来的任务。”

在他的实验室里,Ma和加州大学高级研究员Anoop Sathyan正在开发机器人网络,它可以独立工作,但也可以协作完成共同的任务。

为他们的最新学习,MA和Sathyan将一组机器人用一个新颖的游戏将一组机器人带到测试中,这些游戏使用弦可以将附加的令牌移动到桌子上的指定点。由于机器人每个控制只有一个字符串,因此他们需要其他机器人的合作,通过响应每个机器人的动作而通过增加或松弛张力来将令牌移动到正确的位置。

使用一种称为遗传模糊逻辑的人工智能,研究人员能够让三个机器人,然后五个机器人把标记移动到研究人员想要的地方。

他们的结果本月在杂志上发表Robotica

研究人员发现,使用5个机器人,即使其中一个机器人出现故障,整个团队也能完成任务。

机器人气垫船

欧马实验室里的机器人气垫船可以帮助学生们学习太空自主导航。资料来源:Andrew Higley/UC创意服务

“这对于较大数量的机器人的问题尤其如此,其中个别机器人的责任将低,”研究人员得出结论。

在他职业生涯的大部分时间里,马云对太空有着持久的兴趣。在新墨西哥州立大学,他设计了一种模拟低重力的机械安全带。戴上背带的学生可以在重力为地球六分之一的跑步机上“月球弹跳”,也可以在篮筐上扣篮。

马军表示,由于故障成本高,在太空中修复卫星正成为航天工业的一个越来越重要的重点。

“它还不太实用。这项技术仍在开发出来,“马说。“但我想象在五十年代技术成熟时,他们将开始将其商业化以外出并修复卫星。”

美国国防高级研究计划局(U.S. Defense Advanced Research Projects Agency)前项目经理罗斯勒(Gordon Roesler)对《天文学》杂志说,卫星发射后无法修复或改装,从经济上讲毫无意义。

他说:“我们建了价值5亿美元或10亿美元的东西,却再也不看它,这是没有的(例子)。”

航空航天工程的学生

辛辛那提大学航空航天工程专业的学生正在研究一种漂浮在气垫上的机器人气垫船。缺乏摩擦力有助于模拟太空环境。资料来源:Andrew Higley/UC创意服务

公司将不得不考虑远程维修或服务的卫星。今天的大多数卫星都太脆弱了,甚至在没有冒险的情况下远程掌握。

“今天有那么多卫星无法维修,即使你想这样做。新的卫星将需要进入舱门来进行基本的维修和对接,以帮助接近。

时间很重要。随着每一次发射和每一次失败的卫星,近地轨道都在接近凯斯勒效应。唐纳德·凯斯勒(Donald Kessler)提出的一种理论认为,卫星碰撞可能会产生一连串的碎片,阻碍未来发射的安全,正如2013年奥斯卡获奖影片《地心引力》(Gravity)中描述的那样。

“想想这些物体的速度。我们说的不是高速公路的速度,甚至不是飞机的速度。它们的速度是每小时17000英里,”马说。

智能机器人和自主空间导航

辛辛那提大学工程教授欧马及其学生正在努力在实验室中致力于智能机器人和自主空间导航。资料来源:Andrew Higley/UC创意服务

马云说,太空是一个由政府机构主导的领域,目的是探索和发现。但该领域正处于商业化的风口浪尖,这为想要从事航空航天工程的毕业生提供了大量工作机会。

他说:“最终,太空商业化将成为一个巨大的产业。”

他的研究有助于推动知识的前沿,为未来的太空项目铺平道路。

“我们并没有发展整个任务。我们正在开发潜在技术,“马据说。“一旦这项技术被证明,美国宇航局或商业公司将把它带到下一步。”

在一所大学,尼尔阿姆斯特朗曾担任航空航天工程教授,第一步可以是大的。

参考:“使用遗传模糊系统的多个机器人的协同控制”,Anoop Sathyan和Ou Ma,2019年4月15日,Robotica
DOI: 10.1017 / S0263574719000353

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