國際空間站（ISS）作為人類太空探索的軌道前哨基地，是諸多太空飛行器運送載荷及航天員的往返節(jié)點，具有高度適應性和動態(tài)配置，是一個多任務、多用途的實體，可提供電力支持、軌道維護、姿態(tài)控制、空間環(huán)境保護、通信及其他服務。空間站的系統(tǒng)要求和運行限制旨在維護人類生命和安全，但事實證明，無人操作的機器人空間站（RSS）也具有巨大的實用性。RSS可作為ISS使用壽命結束后的替補，繼續(xù)為ISS目前進行的許多有價值的服務和實驗提供支持，為科學和工程應用開發(fā)新能力，節(jié)省實驗和儀器載荷寄宿在空間站所需的資金，證實人類未來行星探測所需的技術，并為私營部門參與者提供創(chuàng)收應用。

一、太空機器人服務項目

①已在地球軌道成功運行的機器人系統(tǒng)包括：

新一代空間站遙控機械臂系統(tǒng)（“加拿大太空機械臂-2”）、日本工程試驗衛(wèi)星（ETS-VII）、DARPA的“軌道快車”演示任務，德國航空航天中心（DLR）的 “羅克韋斯”（ROKVISS）機器人實驗以及日本的“實驗艙機械手系統(tǒng)”（JEMRMS）。

②“地球同步軌道衛(wèi)星機器人服務”（RSGS）

DARPA和勞拉太空系統(tǒng)公司（SSL）聯合開展的“地球同步軌道衛(wèi)星機器人服務”（RSGS）將成為首個在地球軌道上運行的商業(yè)機器人系統(tǒng)，擬于2021年發(fā)射，旨在進一步成熟化人類深空探索所需的機器人技術。為與諸多客戶衛(wèi)星對接并為其提供服務，RSGS及其搭載衛(wèi)星具有很長的使用壽命。

RSGS將具備以下能力：

自動對接用戶航天器的發(fā)射適配器；

仔細檢查客戶特征；

完成機械處理，如改正部署任務異常現象；

將具備新功能的模塊與客戶衛(wèi)星外部進行連接；

利用客戶衛(wèi)星的推進劑和排泄閥進行燃料補充；

使用服務商推進器重新定位客戶衛(wèi)星。

③在軌裝配

地球同步軌道（GEO）通信衛(wèi)星可以為更多客戶提供更大的反射器，大型反射器的機械裝置可為衛(wèi)星運營商創(chuàng)造額外的收入，但目前的反射器尺寸受到運載飛行器整流罩調節(jié)能力的限制。因此，SSL公司正在NASA“臨界點”項目框架下開展“Dragonfly”項目，以開發(fā)在軌裝配技術。太空制造公司也在“臨界點”項目下尋求在太空制造更大型的反射器。目前，在軌裝配所需的許多技術和程序正在航天器的在軌檢查和在軌服務領域得以積極開發(fā)。

在軌裝配衛(wèi)星的優(yōu)勢包括：RSS可以測試在軌裝配太空望遠鏡所需的機器人技術；RSS在部署小型商業(yè)衛(wèi)星時可使用高能推進劑；在軌裝配的衛(wèi)星設計可只考慮任務的執(zhí)行，不必考慮發(fā)射需求，從而降低了集成和測試成本。

在軌裝配太空望遠鏡是機器人在軌裝配的候選計劃。雖然目前所有的軌道望遠鏡都是通過單次發(fā)射進入軌道并作為獨立單元部署，但某些新的設計模塊由于體積過大無法實現單次整體發(fā)射并完成部署。NASA已委托一項研究利用模塊化組裝方法建造大型天體物理儀器。根據NASA報告顯示，機器人裝配將為未來的系外行星表征儀器提供風險評估和成本效益，報告建議使用RSGS測試裝配技術。

在軌建造衛(wèi)星。美國防科學與技術政策研究所（IDA STPI）發(fā)布報告對這一概念進行了概述：近十多年來，研究人員和專家建議實現飛船、衛(wèi)星和其他飛行器在太空的部分或全部裝配或制造，取代在地面完成的裝配架構。雖然在軌裝配/制造技術的發(fā)展現仍處于低水平階段，但近年來已經取得了一些進展。ISS已通過增材制造（3D打印）技術在小型部件（如塑料工具）上實現了在軌制造。

根據 IDA STPI發(fā)布的報告顯示：寄宿科學、商業(yè)以及軍事有效載荷的持久運行平臺也可實現在軌裝配。該概念的基本思想是裝配一個具有連接器的結構，該連接器可隨時向多個載荷提供電力和通信服務。持久性運行平臺可提供姿態(tài)控制、軌道維護以及實用程序服務，減少發(fā)射次數，降低組件的集成和測試成本，縮短發(fā)射周期，提高使用靈活性。

目前一些模塊化衛(wèi)星組裝概念已經達到了很高的成熟度。如總部位于加利福尼亞州的NovaWurks公司開發(fā)的HISat細胞衛(wèi)星概念，是一種模塊化衛(wèi)星構件，已通過飛行測試。德國航空航天中心（DLR）開發(fā)的“用于在軌衛(wèi)星服務和組裝的智能構建模塊”（iBOSS）。此外，太空拖船對于實現在軌衛(wèi)星裝配必不可少，太空拖船可將裝配完成的衛(wèi)星運送到RSS所在軌道以外的地方。這些服務性任務將為未來的太空機器人系統(tǒng)以及機器人空間站的建立提供大量有價值的數據信息。

在軌裝配/制造通信衛(wèi)星的大型反射器，將顯著受益于GEO通信衛(wèi)星市場；NASA已經發(fā)起在國際空間站生產高質量光導纖維項目，RSS可作為該項目的進一步開發(fā)測試平臺，甚至用作實際的生產平臺。隨著新興技術、應用的投入以及空間站商業(yè)活動的增加，RSS應借鑒ISS的商業(yè)發(fā)展經驗，以公私合作方式運行，減少RSS運行成本對政府預算的影響，并為空間站的設計和運行帶來更大的靈活性。以上提到的服務性任務將為未來的太空機器人系統(tǒng)以及機器人空間站的建立提供大量有價值的數據信息。

二、機器人空間站設計要求

①RSS必須以機器人的方式構建，依托私人企業(yè)和實驗室正在快速推進的機器人技術，如諾格公司及其合作伙伴在機器人裝配和服務性商業(yè)基礎設施（CIRAS）項目中開發(fā)的技術，包括：電力系統(tǒng)、姿態(tài)檢測和控制、推進系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將集成到桁架組件上。②RSS應提供一個封閉的空間，以保護設備免受微隕石影響，可通過互鎖方式自動構建。③RSS應可部署于太陽同步軌道，為未來軌道列車（A-Train）的后繼儀器提供托管平臺。④為便于所有處理程序和裝配過程通過機器人執(zhí)行，RSS應首先構建可連接其他部分的中央桁架模塊，且每個交付組件及科學模塊必須包含可連接機載機器人系統(tǒng)的接口；⑤RSS的設計計劃必須包括自動維護和修理的能力，如：減少冗余以避免維持國際空間站運行的關鍵機器人出現單點故障；在無法進行修復時更換某些組件；開發(fā)機器人自動修復功能，包括在軌制造的使用。

三、RSS的開發(fā)動機

加速機器人技術進入地球軌道，刺激太空經濟的發(fā)展；測試最終用于人類太空探索任務的機器人；為軌道天體物理觀測臺等系統(tǒng)驗證機器人裝配概念。RSS可提供ISS目前提供的許多功能：部署小型LEO衛(wèi)星；在受保護空間內進行科學實驗；托管地球觀測儀器和其他外部有效載荷；使用在軌制造技術進行有益于商業(yè)、民用或國家安全應用的實驗。

四、美國政府提供的技術支持

政府資助的用于構建/運行RSS的技術包括：RSS的框架建筑設備和技術，如“機器人裝配與服務商業(yè)基礎設施”（CIRAS）項目開發(fā)的技術；收回有效載荷的大型外部機械臂，如下一代大型“加拿大機械臂”；操控/裝配有效載荷的較小型機械臂，如Dragonfly項目；收回軌道車輛和太空拖船的機器人手臂，如由MDA-US系統(tǒng)公司為RSGS和重返月球計劃（Restore-L）計劃開發(fā)的“FREND”手臂；用于機器人手臂自動抓取操作的軟件系統(tǒng)，如美海軍研究實驗室正在為RSGS計劃開發(fā)的技術。將這些技術與工業(yè)界技術相結合，可推動商業(yè)機器人能力蓬勃發(fā)展。

五、未來愿景

建造RSS的目標包括：將更多的機器人發(fā)射入太空并使用其完成更多的太空任務，從而改變太空作戰(zhàn)；根據環(huán)境變化定向設計機器人，盡可能滿足商業(yè)、科學和政府等多用戶的需求；利用迅速發(fā)展的地面機器人技術促進太空機器人技術的擴展；為未來的太空探索任務降低風險；專注于完成地面上無法完成的測試；在不增加容量或人體生命支持設備的前提下，盡可能取代ISS的載荷寄宿功能；寄宿對ISS具有不安全影響的設備和技術。

NASA已經征求低地球軌道以及ISS的商業(yè)化發(fā)展意見,將小型衛(wèi)星和運載火箭集成到機器人空間站的后勤系統(tǒng)中，并利用一些支持性技術實現更強大的太空物流基礎設施服務。

與航天員空間站相比，機器人空間站運行成本及性能需求較低，但其設計、開發(fā)和部署仍是一項重大事業(yè)。機器人空間站可以執(zhí)行大量有價值的功能，是推動機器人技術進入太空的最重要的節(jié)點。除了預先為RSS設想的功能外，機器人技術的靈活性還將使其具備執(zhí)行其他任務的能力，實現更大的商業(yè)價值，推動人類深空探索任務的擴展，進而開啟真正的太空機器人時代。