Исследование космического пространства нашей Солнечной системы и дальних галактик в самых отдаленных уголках Вселенной имеет важное значение для науки высокого уровня и дает ответы на многие фундаментальные научные вопросы, включая формирование Вселенной, происхождение Земли, эволюцию жизни и существование жизни за пределами Земли.
Космическая робототехника играет важнейшую роль в настоящих и будущих космических полетах и позволяет выполнять задачи по
- исследованию,
- сборке,
- строительству,
- техническому обслуживанию,
- сервису определяемых полетами машин, способных выживать в космической среде.
Современная космическая робототехника представляет собой развивающуюся многопрофильную область, которая основывается на знаниях в области космической техники, наземной робототехники и компьютерных наук, а также на материалах и механизмах и вносит свой вклад в эти знания.
Космическая робототехника имеет важное значение для общей способности человека исследовать космос или работать в космосе, обеспечивая более широкий доступ за пределы ограничений, связанных с полетами человека в жестких космических условиях, и расширяя возможности астронавтов в плане эксплуатации. Автономные системы способны снизить когнитивную нагрузку на человека, учитывая обилие информации, которая должна быть своевременно обоснована и, следовательно, иметь решающее значение для повышения безопасности человека и систем. Робототехника может также обеспечивать развертывание и эксплуатацию нескольких объектов без увеличения объема наземной поддержки на один и тот же порядок.
С учетом потенциального снижения стоимости и риска космических полетов как с экипажем, так и с помощью роботов, космическая робототехника и автономные системы считаются актуальными на всех этапах миссии,
таких как:
- разработка,
- производство,
- запуск,
- эксплуатация летных систем.
Космическая робототехника охватывает все виды робототехники для исследования поверхности планеты, а также роботы, используемые на орбите вокруг тел и датчики, необходимые платформе для навигации или управления.
Орбитальные роботы могут быть предусмотрены для:
- ремонта спутников,
- сборки крупных космических телескопов,
- захвата и возвращения астероидов,
- развертывания средств для научных исследований и т.д.
Планетарные роботы играют ключевую роль в съемке, наблюдении, добыче, тщательном изучении внеземных поверхностей (включая природные явления, состав и ресурсы местности), создании инфраструктуры на поверхности планеты для последующего прибытия людей, добыче ресурсов планеты и т.д. Для того чтобы космический корабль можно было классифицировать как космический робот, часто считается необходимым наличие двух атрибутов, а именно локомотива и автономии.
В зависимости от области применения (орбитальной или планетарной), космический робот предназначен для управления движением (или подвижностью), захвата, вращения, сверления и/или взятия пробы. Аналогичным образом, исходя из характера миссии и расстояния до Земли, ожидается, что робот будет обладать разной степенью автономности - от телеопераций человека до полностью автономной работы самих роботов
В зависимости от уровня автономии космический робот может выступать в качестве
1) агента-робота (или человека-посредника) в космосе для выполнения различных задач с использованием телеопераций до полуавтономной работы;
2) помощника-робота, который может помочь космонавтам выполнять задачи быстро и безопасно, с более высоким качеством и экономичностью, используя полу- или полностью автономную работу;
3) исследователя-робота, способного изучать неизвестную территорию в космосе, используя полностью автономную работу.
Исследование космоса с помощью роботов в прошлом и настоящем
С 1950-х годов космическое пространство открыло человечеству реальные, новые горизонты для исследований. Способность и непреодолимое влечение выйти за пределы нашей планеты Земля сводят к минимуму воздействие человечества на другие внеземные тела (будь то планета, луна, комета или астероид) имеют первостепенное значение. Начало космических исследований в конце 1950-х - начале 1960-х годов было связано с выводом человека на околоземную орбиту и Луну в результате космической гонки между двумя странами.
Параллельно с дорогостоящей разработкой космических программ с экипажем использование более дешевых роботов-посредников имело решающее значение для понимания космической среды, в которой будут работать астронавты, а также для дальнейшего изучения нашей Солнечной системы.
В рамках существующих роботизированных миссий значительную роль играет целый ряд мобильных или локомотивных систем, включая:
- наземные роботы,
- манипуляторы,
- пробоотборники,
- дрели.
Например, первой настоящей роботизированной локомотивной системой, успешно работающей на внеземном теле, был совок (т.е. манипуляционное кумулятивное устройство для отбора проб) на борту спутника Surveyor 3, запущенного в 1967 году на Луну.
После этого, в 1970 году, преуспела Луна 16 с первой планетарной дрелью с роботизированным манипулятором, а Луна 17 - с первой планетарной дрелью под названием Луноход 1 в 1970 году. Эти "первые" привели к невероятным успехам полетов и научным открытиям в результате непрекращающихся и неустанных попыток запусков в ходе космической гонки между сверхдержавами.
В рамках орбитальных полетов основным механизмом повышения мобильности являются роботизированные вооружения. Что касается планетарного варианта, то большинство существующих миссий использовали либо колесные роботы, либо стационарные посадочные машины, но для обеспечения мобильности они были оснащены роботизированным манипулятором, буровой установкой или пробоотборником. Многие из существующих миссий, особенно для исследования планет, достигли замечательных научных результатов, например, многое из того, что мы знаем о Луне и Марсе, стало прямым результатом исследования с помощью робототехники на месте. В частности, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) находится на переднем плане науки о Марсе благодаря ряду успешных полетов планетарных роверов.
С течением времени приборы, установленные на марсоходах НАСА, значительно увеличиваются. В качестве ориентира можно отметить, что марсоход "Sojourner" был относительно небольшим, с ограниченным сроком службы мобильным роботом, однако его ключевые открытия в геологии, вероятность наличия предшествующей воды на Марсе, магнитные свойства марсианской пыли и нынешний климат Марса переписали наше представление о Марсе. Две идентичные роверы были значительно больше и поэтому могли нести гораздо более мощную научную полезную нагрузку, включая усовершенствованное дистанционное зондирование, и более совершенные роботизированные манипуляторы для проведения измерений вблизи/поверхности.
Роверы также обладали значительно более совершенными возможностями мобильности и навигации, что позволило одному роверу проехать более 44 км в более чем 4700 солей (т.е. в марсианские дни) по состоянию на 2017 год. В настоящее время роверы достигли еще более впечатляющих результатов.
