Поиск - новости науки и техники

Роботы летят! Космические манипуляторы наведут порядок на орбите.

В недалеком будущем в космос отправятся роботы. На орбите у них будет много дел – от сборки гигантских конструкций, аккумулирующих солнечную энергию, или освещающих традиционно затемненные территории Земли, до ликвидации космического мусора.
И хотя пока не до конца ясно, как будут выглядеть космические строители и генеральные уборщики нашей Галактики, название им дано поэтическое – “free-flyers”, или дословно – “свободно летающие”. Не в том, правда, смысле, что полетят, куда захотят, – кто ж их отпустит! – но полет роботов будущего будет самостоятельным, независимым от МКС или доставившего их на орбиту космического челнока.

Будет в небесах жарко
Первые упоминания о “free-flyers” появились в научной (сначала американской) периодике еще в середине 1970-х годов, когда вопрос о скорой экспансии космоса обсуждали всерьез и связывали с ней самые смелые ожидания. К началу 1990-х специалисты сформулировали задачи, которые можно было бы решить с помощью этих космических аппаратов. Они и сегодня кажутся фантастическими, но только не профессионалам.
Рассказывает заведующий Лабораторией координатно-параметрического управления динамическими системами Института проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН доктор технических наук Владислав Рутковский:
– Свободнолетающие, или космические манипуляционные, роботы (КМР), как принято называть их в научной среде, задумывались в качестве устройств для выполнения самых разнообразных операций, связанных с обслуживанием пилотируемых орбитальных станций, ремонтом их наружных поверхностей и элементов, спасением и возвращением несанкционированно удалившихся полезных грузов и даже космонавтов – при обрыве страховочного троса. Не менее важные сферы применения – ликвидация космического мусора или сборка на околоземной орбите так называемых больших космических конструкций (БКК), предназначенных для решения важных для человечества проблем в области энергетики, разведки дальнего космоса, освоения околоземного пространства.
Масштаб последней задачи можно красноречиво характеризовать всего парой примеров. Первый такой: для замещения иссякающих на Земле запасов энергоносителей предлагается создать в космосе солнечные энергетические станции, снабженные панелями солнечных батарей размером, превышающим размер футбольного поля! Или еще одна задумка: разместить на орбите гигантские зеркальные рефлекторы, освещающие отраженным солнечным светом районы Заполярья в период долгой полярной ночи. Цель такой “подсветки” – повысить эффективность освоения этих богатых природными ресурсами территорий. Можно также сократить ночные часы в определенных участках Мирового океана (для ускорения роста планктона, являющегося кормовой базой промысловой рыбы).
Надо признать – как передавать на Землю энергию, накопленную в космосе, или как регулировать сверхнормативное освещение выбранных территорий нашей планеты, чтобы не нанести вреда жителям и природе, пока не понятно. Однако, по мнению специалистов, к решению этих вопросов можно приступить чуть позже. Основной же сегодняшней проблемой в отношении больших космических конструкций ученые считают процесс их развертывания в космосе. Понятно, что из-за сверхкрупных размеров выведение этих устройств на орбиту в уже готовом виде не представляется возможным. Выход – собирать БКК “на месте”, то есть непосредственно в космосе.
Дай руку, Кику!
Разработкой свободнолетающих роботов-сборщиков больших космических конструкций уже около 20 лет занимаются независимые группы ученых в разных странах мира – Японии, США, Германии, Греции, Китае. В России исследования ведутся в лаборатории профессора Владислава Рутковского. В феврале этого года за серию работ в этой области ему, вместе с докторами наук Виктором Сухановым и Виктором Глумовым, была присуждена Премия имени К.Э.Циолковского Российской академии наук. На новость шутливо отреагировал Интернет: одни остряки обыгрывали название космических аппаратов будущего и балагурили на тему “приручения свободнолетающих роботов во благо человечества”, другие провозглашали их “независимость” и “право на самоопределение”…
А если говорить серьезно, то пока роботы для сборки больших космических конструкций представляются ученым лишь в общих чертах – в виде несущего корпуса и шарнирно связанных с ним многозвенных манипуляторов. Другими словами, это – “ящик с руками”, способный выбрать нужный объект, “взять” его, “отвезти” в заданное место и присоединить к собираемой конструкции. Перемещение в пространстве свободнолетающих роботов будут обеспечивать системы навигации, радиосвязи, двигательная установка, выполнение поставленных задач – манипуляторы и видеокамеры наблюдения. Вывод на орбиту осуществит шаттл. В нем же, или, к примеру, на МКС, разместится система управления, позволяющая оператору-космонавту “отпустить” аппарат на расстояние до 10 км, руководя при этом всеми его действиями.
Подобных устройств в мире пока не существует. Единственный аппарат, снабженный рукой-манипулятором и очень отдаленно напоминающий прообраз свободнолетающего робота, был создан в ходе японо-германского проекта. Речь идет об Инженерном испытательном спутнике ETS-VII (другое название – KIKU-7), запущенном на орбиту в конце 1997 года японским Национальным агентством по космическим разработкам (NASDA). ETS-VII (на снимке) состоял из двух частей, на которых отрабатывались этапы их стыковки-расстыковки, и был дополнительно оборудован двухметровой рукой-манипулятором.
– Сложность управления свободнолетающими роботами-сборщиками в том, что у них нет “под ногами” никакой опоры, – рассказывает Владислав Рутковский. – Представьте: поднимая груз на Земле, мы опираемся на твердую поверхность, из-за чего наш корпус остается относительно неподвижным. В открытом космосе, где не действуют законы притяжения, манипуляционное перемещение груза или любые другие действия “рук” робота вызывают ответные движения его корпуса, поэтому управление столь чувствительным механизмом – задача не из легких.
Добавляет проблем громоздкость собираемой конструкции – отдельные ее детали будут доставлять несколько космических грузовиков. Чтобы собрать энергетическую установку, сначала потребуется вывести на орбиту “несущее тело”, а потом – секциями – постепенно пристраивать к нему элементы солнечных батарей.
И все же определенный прогресс в теоретической части работы достигнут: группой Рутковского создана математическая модель свободнолетающего космического манипуляционного робота-сборщика, рассмотрены теоретические вопросы перелетов и начальной ориентации КМР при установке полезного груза в заданную точку пространства, сформулированы условия безопасности функционирования робота вблизи собираемой конструкции. По словам Владислава Юльевича, все эти наработки обеспечивают возможность предэскизного проектирования. Однако необходимого финансирования пока нет, как нет и крупного заказчика, готового реализовать этот проект.
Поход за отходами
На фоне предыдущей задача уборки космического мусора силами свободнолетающих роботов кажется менее сложной и более насущной. К тому же разработчики то одной, то другой страны рапортуют о существенных успехах. Казалось бы, вот-вот…
Тем временем в конце марта трем космонавтам МКС пришлось бросить все дела и, спешно надев скафандры, ретироваться в “укрытие” – спасательные капсулы кораблей “Союз”. Нештатная ситуация была вызвана внезапным сообщением с Земли о приближении к станции космического обломка – фрагмента спутника российских космических войск “Космос-2251”, который приближался к МКС, летя по орбите со скоростью несколько километров в секунду, и мог нанести существенный вред как самой станции, так и ее экипажу. В этот раз обошлось: хотя у МКС не было времени “увернуться” от куска железа, как-то разминулись…
Проблему космического мусора уже не один десяток лет обсуждают специалисты. По оценкам НАСА, в космосе летают около 22 000 объектов, которые создают опасную среду как для самих космических кораблей, так и для экспериментов, которые проводятся в открытом космосе. И это только те фрагменты, которые возможно отследить с Земли. Всего же на околоземных орбитах сегодня вращаются миллионы обломков размером от нескольких сантиметров. Путей образования космического мусора множество – это и вышедшие из строя спутники, который продолжают оставаться на орбите, занимая драгоценное место, и обломки космических аппаратов, образовавшиеся в результате столкновений, и опустевшие топливные баки, и продукты жизнедеятельности экипажей космических станций.
Самый ощутимый одномоментный выброс мусора произошел в 2007 году, когда Китай уничтожил один из своих спутников ударом собственной ракеты. В результате взрыва возникло более 3000 крупных и еще примерно 150 тысяч более мелких осколков. В 2009 году, после столкновения российского “Космоса-2251” и одного из 72 спутников американского оператора телефонной связи Iridium, на орбите образовалось еще около 1000 новых объектов.
Способы решения проблемы обсуждаются давно, но пока надежный и не слишком затратный не определен.
– Для снятия с орбиты отработавших свой срок спутников известно два пути, – рассказывает Владислав Рутковский. – Первый – затормозить аппарат, тогда он сгорит в атмосфере, а что не сгорит – упадет в отведенный район океана. Второй способ энергетически может быть менее затратным – разогнать спутник на большую высоту, где он будет “болтаться” веками и не доставлять никому хлопот. К сожалению, ни один из этих вариантов сейчас по-настоящему не используется – прежде всего из-за дороговизны такого предприятия.
– А как уничтожать мелкие осколки? – продолжает разговор Виктор Глумов. – На них нет ни двигателей, ни системы управления. Здесь как раз могли бы сыграть свою роль свободнолетающие роботы: с их помощью можно “ловить” мусор, а затем удалять его с орбиты. В техническом отношении эта задача такая же сложная, как и создание самого летающего робота.
И все же в последние годы появляются сведения о работах над созданием таких аппаратов учеными разных стран.
– Есть информация, что японцы проектируют роботов-камикадзе, которые отправятся на “поимку” крупного космического мусора, чтобы вместе с этим опасным грузом упасть в Тихий океан, – делится Виктор Суханов.
Недавно швейцарские космические инженеры сообщили, что работают над созданием аппарата для сбора мусора на околоземных орбитах – он должен будет отлавливать обломки отслуживших верой и правдой спутников и доставлять их в плотные слои атмосферы, что хотя бы отчасти решит проблему загрязнения околоземного пространства. Казалось бы, в генеральной космической уборке заинтересованы все страны, однако дело это небыстрое и слишком уж затратное. Создание и запуск того же швейцарского аппарата обойдется примерно в 11 миллионов долларов и завершится не ранее 2017 года.
Ситуация таким образом парадоксальная – чем больше аппаратов-исследователей запускается в космос, тем менее пригодным для проведения исследований околоземное космическое пространство становится. Возможно, положение и смогут исправить свободнолетающие роботы, если к тому времени, когда их создадут, в околоземном пространстве останется свободное место для их полетов.

Светлана Беляева
На снимке (слева направо): Виктор Суханов, Владислав Рутковский, Виктор Глумов
Фото из архива В.Суханова

Нет комментариев