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机器人宇宙飞船

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一位画家对水星的MESSENGER号航天器的解释

机器人宇宙飞船是通常由遥控机器人控制下的无人航天器。设计用来进行科学研究测量的机器人宇宙飞船通常被称为空间探测器。由于成本和风险因素较低,许多太空任务更适合遥控机器人而不是人员操作。此外,考虑到当前的技术,一些行星目的地,如金星或木星附近对人类生存来说太不友好了。像土星、天王星和海王星这样的外行星太遥远了,以目前载人飞船技术无法到达,所以遥控机器人探测器是探索它们的唯一方法。

许多人造卫星是机器人航天器,许多登陆器和漫游器也是。

1 历史编辑

美国国家航空航天博物馆的斯普特尼克人造卫星1号复制品

探险者1号的复制品

1951年7月22日,苏联发射了第一艘机器人宇宙飞船,这次亚轨道飞行搭载了两条狗——德齐克(Dezik)和锡根(Tsygan)。[1]1951年秋,又进行了四次这样的飞行。

1957年10月4日,第一颗人造卫星斯普特尼克1号,被苏联送入215-by-939-kilometer (116-by-507-nautical-mile)的地球轨道。1957年11月3日,苏联发射了人造地球卫星史普尼克2号。重113 kilograms (249 pounds),史普尼克2号把第一只活体动物——名叫莱卡的狗带到了轨道上。[2]由于卫星的设计不是为了脱离其运载火箭的末级,所以它在轨道上的总质量为508.3 kilograms (1,121 pounds)。[3]

1958年1月31日,在与苏联的激烈竞争中,美国发射了第一颗人造卫星“探险者1号”(Explorer 1),进入了一个193×1373×1373海里(357×2543公里)的轨道。“探索者1号”是一个长80.75英寸(205.1厘米)、直径6.00英寸(15.2厘米)的圆柱体,重30.8磅(14.0公斤),而“斯普特尼克1号”是一个58厘米(23英寸)的球体,重83.6公斤(184磅)。

探险者1号携带的传感器证实了范艾伦带的存在,这是当时的一项重大科学发现,而斯普特尼克1号没有携带任何科学传感器。1958年3月17日,美国绕其第二颗卫星运行,先锋1号大约有一个葡萄柚那么大。截至2016年,仍然保持在一个360-by-2,080-nautical-mile (670-by-3,850-kilometre)的轨道上。

其他9个国家已经成功地使用自己的运载火箭发射了卫星:法国(1965年)、日本和中国(1970年)、联合王国(1971年)、印度(1980年)、以色列(1988年)、伊朗 (2009年)、朝鲜 (2012年)和新西兰 (2018年)。[4]

2 设计编辑

在航天器设计中,美国空军认为飞行器由任务有效载荷和总线(或平台)组成。该总线提供物理结构、热控制、电力、姿态控制和遥测、跟踪和指挥。[5]

JPL 将宇宙飞船的“飞行系统”分成子系统。[6]其中包括:

2.1 结构

美国宇航局计划中的“猎户座飞船”接近机器人小行星捕获车的图示

这是物理主干结构。其:

  • 提供航天器的整体机械完整性
  • 确保航天器部件得到支撑,能够承受发射载荷

2.2 数据处理

这有时被称为命令和数据子系统。它通常负责:

  • 命令序列存储
  • 维护宇宙飞船时钟
  • 收集和报告航天器遥测数据(例如航天器健康)
  • 收集和报告任务数据(例如照片)

2.3 姿态确定和控制

该系统主要负责在外界干扰-重力梯度效应、磁场力矩、太阳辐射和空气动力阻力的情况下,航天器空间定位(姿态)的正确;此外,其可能需要重新定位可移动部件,如天线和太阳能电池阵列。[7]

2.4 降落在危险地带

在涉及机器人航天器的行星探索任务中,在行星表面着陆的过程中有三个关键部分,以确保安全和成功着陆。[8]这一过程包括进入行星重力场和大气层,穿过大气层下降到具有科学价值的预定/目标区域,以及保证航天器上仪器完整性的安全着陆。当机器人航天器通过这些部分时,还必须能够估计其相对于表面的位置,以确保对自身的可靠控制和良好的操纵能力。机器人航天器还必须实时有效地进行危险评估和轨迹调整,以避免危险。为了实现这一点,机器人航天器需要精确地知道航天器相对于表面的位置(定位)、来自地形的危险(危险评估)以及航天器当前应该朝向哪里(危险避免)。如果没有定位、危险评估和回避操作的能力,机器人航天器就变得不安全,并且很容易进入危险情况,例如表面碰撞、不需要的燃料消耗水平以及不安全的机动。

2.5 进入、下降和着陆

集成传感技术结合了一种图像转换算法以解释即时陆地图像数据,执行实时检测并避免可能妨碍安全着陆的地形危险,并使用地标定位技术提高在所需感兴趣地点着陆的准确性。集成传感通过依赖预先记录的信息和摄像机来理解其位置并确定其位置,以及结果是否正确或需要进行任何校正(定位)来完成这些任务。摄像机还用于检测任何可能的危险,无论是燃料消耗增加,还是物理危害,如火山口或悬崖边的不良着陆点,这将使着陆非常不理想(危险评估)。

2.6 电子通讯

通信子系统的组件包括无线电天线、发射机和接收机。这些可能用于与地球地面站或其他航天器通信。[9]

2.7 电功率

航天器上的电力供应通常来自光电池的(太阳能)电池或来自放射性同位素热电机。子系统的其他组件包括用于存储电力的电池和将组件连接到电源的配电电路。[10]

2.8 温度控制和环境保护

航天器通常用绝缘材料来防止温度波动。一些航天器使用镜子和遮阳伞来增加对太阳加热的保护。它们还经常需要屏蔽微流星体和轨道碎片。[11]

2.9 推进

航天器推进力是一种允许航天器通过产生推力来推动它前进的方法。[12]然而,没有一种通用的推进系统:单组元推进剂、双组元推进剂、离子推进剂等。每个推进系统产生推力的方式略有不同,每个系统各有优缺点。但是,今天大多数航天器推进都是基于火箭发动机。火箭发动机背后的一般想法是,当氧化剂遇到燃料源时,会以高速爆炸性地释放能量和热量,从而推动航天器向前。这是由于一个被称为“牛顿第三定律”的基本原理。根据牛顿的理论,每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。随着能量和热量从飞船后部释放出来,气体粒子被推来推去,让飞船向前推进。今天使用火箭发动机的主要原因是因为火箭是最强大的推进方式。

单组元推进剂

为了使推进系统正常工作,通常总会有氧化剂管线和燃料管线。这样,宇宙飞船的推进受到控制。但是在单组元推进中,不需要氧化剂管道,只需要燃料管道。[13]这是因为氧化剂化学键合到燃料分子本身。但是对于要控制的推进系统,燃料的燃烧只能由于存在催化剂而发生。这是非常有利的,因为使火箭发动机更轻、更便宜、易于控制和更可靠。但是,失败的原因是这种化学物质对生产、储存和运输非常危险。

二元燃料

双组元推进系统是使用液体推进剂的火箭发动机。[14]这意味着氧化剂和燃料管线都处于液态。这个系统是独特的,因为它不需要点火系统,两种液体一接触就会自燃,并产生推动船前进的推进力。采用这种技术的主要好处是,这类液体具有相对较高的密度,这使得推进剂罐的体积较小,因此提高了空间效率。缺点与单组元推进系统相同:制造、储存和运输非常危险。

离子

离子推进系统是一种通过电子轰击或离子加速产生推力的发动机。[15]通过向推进剂原子(中性电荷)发射高能电子,使其从推进剂原子中除去电子,这导致推进剂原子成为带正电荷的原子。带正电的离子被引导穿过带正电的网格,网格中包含成千上万个在高压下运行的精确排列的空穴。然后,对齐的带正电荷的离子通过带负电荷的加速器网格加速,这进一步将离子速度提高到90,000 mph。这些带正电荷的离子的动量提供了推动航天器前进的推力。拥有这种推进器的优势在于,它在保持恒定速度方面非常有效,这是深空旅行所必需的。然而,产生的推力非常小,需要大量的电力才能运行。

2.10 机械装置

在发射之后或着陆之前,通常需要移动机械部件以进行部署。 除了使用电动机外,许多一次性运动还受到航天火工装置的控制。[16]

2.11 机器人与无人航天器

机器人航天器是专门为特定的恶劣环境设计的系统。[17]由于它们针对特定环境的规范,其复杂性和功能差异很大。而无人航天器是指无人或无人操作的航天器,由自动操作(在没有人为干预的情况下进行动作)或遥控操作(在人为干预的情况下)进行操作。术语“无人航天器”并不意味着航天器是机器人。

3 控制编辑

机器人航天器使用遥测技术将获得数据和飞行器状态信息用无线电传回地球。尽管通常被称为“遥控”或“遥控机器人”,但最早的轨道航天器——如斯普特尼克1号和探险者1号——没有接收来自地球的控制信号。在这些第一艘航天器之后不久,指挥系统被开发出来,允许从地面进行远程控制。自主性的提高对于远距离探测器很重要,因为在远距离探测器中,光传播时间会阻碍地球的快速决策和控制。如卡西尼-惠更斯号和火星探测漫游者等较新的探测器具有高度自治性,可使用机载计算机长时间独立运行。[18][19]

4 太空探测器编辑

空间探测器是一种机器人航天器,它不绕地球轨道运行,而是进一步探索更远的外层空间。太空探测器可能接近月球;穿越星际空间;飞越、绕过或降落在其他行星体上;或者进入星际空间。

5 SpaceX的Dragon号编辑

SpaceX的Dragon就是现代世界中完全机器人太空船的一个例子。[20]SpaceX的Dragon号是一艘机器人宇宙飞船,旨在不仅将货物运送到地球轨道,还能运送人类。Dragon飞船的总高度是7.2 m (23.6 英尺),直径为3.7 m (12 英尺)。发射有效载荷的总质量是6000 千克(13,228 磅),总返回质量为3000 千克(6,614 磅),连同25m^3的总发射有效载荷体积(883 ft^3)和11m^3的总返回有效载荷量(388 ft^3)。Dragon号在地球公转的总寿命是两年。

2012年,Dragon飞船创造了历史,成为第一艘向国际空间站运送货物并在同一旅程中安全返回地球的商业机器人航天器。Dragon号的这一壮举以前只有政府才能实现。目前,Dragon号是用来运输货物的,因为它能够将大量货物返回地球,尽管它最初的设计是用来载人的。

新视野号拍摄的冥王星离开时的照片,显示冥王星的大气层被太阳背光照射。

太空探测器是一项科学的空间探索任务,其中航天器离开地球并探索太空。 它可能接近月球,进入行星际,飞越或绕过其他物体,或接近星际空间。

6 航天器服务机器人编辑

AERCam Sprint 从航天飞机哥伦比亚号有效载荷仓释放

  • MDA空间基础设施服务飞行器——为地球同步轨道中的通信卫星提供空间加油站和服务航天器。计划于2015年推出。[21]

  • 任务扩展飞行器是一种不利用空间 RCS 燃料传输的替代方法。相反,它将以与MDA SIS相同的方式连接到目标卫星,然后使用“其自身的推进器为目标提供姿态控制”。[22]

参考文献

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