當太空中的衛星部件損壞或燃料耗盡時，往往意味著其使用壽命也將終結。為了賦予衛星更長的使用時間，美國宇航局（NASA）提出潛在解決方案，即派軌道機器人前往維修或加註燃料。

在過去的20多年時間裡，美國陸地衛星7號(LANDSAT-7) 每99分鐘會繞地球飛行一圈，每16天會抓拍一次幾乎所有地球表面的圖像。作為觀測地球變化的眾多飛行器之一，它揭示了格陵蘭島冰川融化、墨西哥對蝦養殖場的擴張以及巴布亞新幾內亞森林砍伐的情況。但在陸地衛星7號燃料耗儘後，它的使用壽命也將結束，因為目前還沒有辦法在太空中為其添加燃料。

不過，NASA對此提出了潛在方案。幾年後，該機構計劃將向太空發射軌道機器人，並操縱其進入陸地衛星7號的抓取範圍內。這個機器人將使用機械臂抓住衛星，在太空中為其加註燃料。如果成功，這次任務將標誌著一個新里程碑，即首次在太空中為衛星添加燃料。這項任務只是眾多公私計劃之一，這些計劃打算使用機器人來修復和改進軌道上價值數十億美元的衛星。

最終，這樣的努力可能會帶來更好、更便宜的衛星，這些衛星可以降低互聯網和手機網絡的成本，提供更好的天氣預報，並提供前所未有的地球和宇宙變化視角。它們甚至可能掀起新一輪在軌建設浪潮，使用機器人大軍建造衛星、空間站，甚至是前往火星的宇宙飛船。

賦予衛星更長壽命

目前，軌道上大約有4852顆正在運行的衛星，在通信、遙感和其他任務中發揮著至關重要的作用。但所有人都知道，如果這些衛星損壞，現在幾乎沒有辦法修復它們。同時，大多數衛星偶爾也需要燃料來調整軌道。當燃料耗盡時，它們就可能成為太空垃圾，進一步增加環繞地球的大量碎片流數量。

太空服務行業組織Concers負責人布萊恩·維登(Brian Weeden)說：“想像一下，你明天要去買一輛車。但你必須記住，永遠不可能再為其加註更多汽油，永遠不能更換機油，也無法維護或修復任何東西。而在接下來的10年裡，你還必須使用它。現在，你認為這輛車會有多貴，有多複雜？這與我們使用衛星的情況相似。”

為了讓衛星盡可能長時間地工作，工程師們建造了所謂的冗餘系統，並儘可能多地加註燃料，但所有這些努力都增加了製造和發射衛星的成本。到目前為止，幾乎所有在太空中進行的製造和修復都要依賴宇航員，包括哈勃太空望遠鏡的修復和國際空間站的建設。但將人類送入太空的成本非常高昂，因此近年來開發機器人來完成這項工作的努力日益受到關注。

美國海軍研究實驗室機器人和機器學習部門負責人卡爾·格倫·亨肖(Carl Glen Henshaw)表示：“我們真正想做的是，在太空中部署機器人機械師，當衛星發生故障時對其進行維修。”

機器人救援面臨諸多挑戰

在過去的幾十年裡，研究人員在實現這個目標方面取得了很大進展。在2007年NASA的一個示範項目中，兩個專門建造的飛行器就駐留在軌道上並進行燃料轉移。最近，在2020年，航空航天企業諾斯羅普·格魯曼公司成功地發射了兩個“任務延伸飛行器”，它們配備有發動機和燃料，附著在兩顆商業衛星上，並將後者推入了新的軌道。

預計在未來十年內，將啟動的兩項新任務有望使在軌維修工作更上一層樓。示範項目將使用配備機械臂的半自動機器人為在軌衛星補充燃料，甚至進行簡單的維修。

亨肖正在研究地球同步衛星的機器人維護服務，這是美國國防高級研究計劃局(DARPA)資助的項目。如果定於2024年進行的演示任務成功，這將標誌著機器人飛行器首次成功捕獲沒有專門設計卻能與之對接的衛星。亨肖及其同事最近在“控制、機器人和自主系統年度評論”中探討了使用太空機器人維修衛星所面臨的挑戰。

這樣的挑戰很多，由於現有的衛星從來沒有想過進行維修，因此它們缺乏被稱為基準的標記，這將使機器人不太容易對移動的衛星進行視覺定位。同時，衛星也沒有專門為機器人設計的抓取裝置，而衛星上突出的部分往往太脆弱而無法抓取，如天線和太陽能電池板。

另一個問題是機器人和地球控制團隊之間通信的時間延遲。對於在約3.5萬公里高空的地球同步軌道上運行的機器人來說，距離和信號處理在機器人與地球上的控制器之間造成了幾秒鐘的通信延遲，因此機器人將需要自主處理最關鍵的任務。不過幸運的是，這項工作可以建立在太空中現有的機械臂上，包括國際空間站目前正在使用的兩個機械臂。

在一次演示任務中，亨肖及其工程師同事計劃從數千顆老舊的、不再活躍的衛星中選擇一顆，這些衛星依然“駐泊”在偏僻的軌道上。機器人將使用攝像頭和激光測距儀將其機器人與衛星相匹配，併機動到衛星大約2米範圍內。當足夠近的時候，機器人會用兩隻機械臂中的一隻抓住之前將衛星固定在運載火箭上的鋁環。

同時，另一隻機械臂將負責檢測未能正確展開的太陽能電池板或天線，這樣的問題每兩到三年就會發生一次。此外，這隻機械臂還能將新的儀器連接到衛星的外部，例如更強大的發射器、攝像頭或天線。

NASA的雄心

在2025年之後的某個時候，NASA計劃發射更加雄心勃勃的機器人，名為在軌維修、組裝和製造1號(OSAM-1)機器人，它將首先負責為現有衛星添加燃料。然後，OSAM-1將演示是否可以在太空中建造全新的結構。

陸地衛星7號將是OSAM-1的首個加油任務。這顆衛星于1999年由美國地質調查局發射，進入約700公里高的近地軌道，其工作已被更先進的衛星接管，但它為科學家提供了測試機器人在軌加油的機會。NASA的OSAM-1項目經理布倫特·羅伯遜(Brent Robertson)說：“20多年前，技術人員通常在準備發射前為衛星添加燃料，他們從未想過再次為其加油。”

羅伯遜說，OSAM-1將使用機械臂切斷絕緣層，剪斷兩根電線，擰下螺栓，然後連接軟管並註入115公斤燃料。雖然維修現有衛星是機器人最直接的目標，但從長遠來看，在軌組裝和製造衛星可能更重要。例如，OSAM-1有一項額外的任務，它將搭載名為SPIDER的單獨機器人，旨在展示在太空中組裝東西的能力。SPIDER的第一個任務將是組裝7件式3米長的天線，並將其送入軌道。

使用與3D打印類似的工藝，OSAM-1還將證明其可以從頭開始製造結構部件，用碳纖維捲軸和其他紡織品製造出堅固而輕便的複合梁。像這樣的部件可以連接起來，形成衛星或其他軌道結構必需的結構組件。

如果目前正在規劃的任務成功，機器人技術可能會開啟一個太空建設新紀元，幫助建設更寬敞的太空旅遊空間站、太空燃料庫，並支持太空採礦作業，甚至是在軌道上製造前往火星的飛船。羅伯遜說：“我們想證明，我們可以製造這些東西，儘管以前沒有人做到過。如果你有能力在太空中組裝東西，就可以自帶材料，或者讓人把材料發給你，以組建更大的人造物體。“ （小小）