中国工程院推荐：空间机器人技术在航天任务中的关键作用
中国工程院推荐：空间机器人技术在航天任务中的关键作用
2025年1月，中国空间站迎来第二个机器人成员——一款具备管道穿越能力的检测机器人。这一新成员的加入，不仅丰富了空间站的自动化能力，也预示着中国在空间机器人技术领域取得新的突破。
空间机器人：探索太空的智能助手
空间机器人是在经历火箭发射的强冲击后，能够在高真空、大温差、强辐射、微/低重力、复杂光照等空间极端环境条件下，自主或协同航天员长时间执行地外空间作业服务的机器人系统。根据工作环境的差异，可将空间机器人技术研究领域主要分为两个：在轨服务和行星机器人。
典型的在轨服务空间机器人包括国际空间站加拿大臂和针对卫星在轨服务的机器人。行星机器人系统一般通过在星表移动和操作，完成行星探测任务，未来的作业对象将会扩展到山丘、溶洞、海洋等环境。此外，在小行星、彗星等应用场景中，由于具有微重力的星表环境，可能会模糊在轨服务机器人和行星机器人两者之间的区别。
空间机器人可极大提高空间操控的安全性和经济性，支持并扩展航天员的操作能力，突破人类太空探索的极限，正在改变我们对未来太空探索的思考模式。作为一种典型的空间操控装备，空间机器人在空间碎片清除、空间飞行器维护、地外设施建造等空间科学探索活动中至关重要，是加快航天强国建设的关键。
技术演进：从“远程助手”到“智能伙伴”
空间机器人技术的发展历程见证了人类探索太空能力的不断提升。20世纪80年代，早期的空间机器人完全依赖人类远程操控，只能完成简单的抓取、搬运和探测等任务，智能化水平较低。进入21世纪，随着机械、计算机、控制等基础学科的蓬勃发展，以及智能优化算法、视觉识别等先进技术的跨越式进步，空间机器人技术也进入自动化与智能化时代，可通过局部自主操控方式，以“机器人助手”的形式帮助人类航天员快速执行在轨任务，其工作效率、安全性和成本得到了进一步提升。
近年来，空间机器人融合了人工智能的关键决策作用，使空间机器人能够进行智能感知、学习、推理和决策等活动，提高了复杂空间环境的适应能力和操控能力，此时的空间机器人已经成为人类在太空的“机器人伙伴”，代替人类完成空间任务。未来，随着空间探索的持续深入，伴随着先进材料、高性能传感器、人工智能等技术的快速发展，智能操控能力将会在空间机器人演变过程中发挥重要作用，与人类智慧、感知能力和学习能力进行深度融合将会是空间机器人实现智能操控的重要方法和发展方向，届时空间机器人可以实现完全自主操控，成为探索太空危险、未知领域的“机器人探险家”。
国际竞争：技术突破与商业应用双轮驱动
在国际上，空间机器人技术已成为各航天强国竞相角逐的科技制高点。加拿大航天局近期授予MDA Space一份价值约1.82亿美元的延期合同，继续支持国际空间站的机器人操作，直到2030年。MDA空间公司以前只向CSA和NASA的工作人员提供操作该系统的培训，其中包括空间站的17米加拿大手臂2机械臂，以及任务规划和工程支持。
国际空间站的绝大多数机器人操作都是由地面上的飞行控制人员进行的，支持访问航天器的停泊，空间站周围设备的搬迁和维修，监测和测量空间站的损坏情况，并协助宇航员进行太空行走。
从2025年1月起，MDA航天公司将与一个团队一起控制机器人操作，该团队最初将设在加拿大魁北克的CSA任务控制中心。
飞行控制器支持也是MDA空间公司4月10日公布的名为Skymaker的模块化机器人技术和服务新产品线的一部分，该公司希望在数十年的政府工作之后，该产品将帮助其获得新兴的商业机会。
该公司最近在加拿大安大略省开设了任务控制中心，为客户提供Skymaker技术。
“他们没有必要成为太空机器人和操作方面的专家，”MDA航天公司负责机器人和太空操作的副总裁霍莉·约翰逊(Holly Johnson)在接受采访时说，“我们在过去一段时间里学习了所有的伤疤组织。”
“我们将把它打包成一个完整的端到端任务服务和运营产品。”
Skymaker由一套机械臂部件组成，长度从1米到超过15米不等。
据约翰逊说，该公司看到商业市场对太空机器人的需求正在上升。
去年，MDA Space公司获得了建造抓斗装置和锚点接口的合同，Axiom公司提出的商业空间站需要与机器人兼容。
该公司还为美国国家航空航天局(NASA)最近挑选的一个商业团队提供机器人技术，该团队正在研究一种可以作为服务提供的月球车的概念。
“我们正在与多个对在轨服务、太空组装和太空制造感兴趣的客户进行讨论，”约翰逊告诉《太空新闻》。
MDA Space历来以交付大规模定制高性能机器人系统而闻名，例如Canadarm2。
但约翰逊表示，Skymaker通过不同长度和强度的机器人满足了更多样化的需求。
她补充说:“我们可以走到车站的拐角处，也可以绕着车站走，我们的机器人可以长1米到15米多。”
“有些机器人需要灵巧的操作，有些则需要类似起重机的操作，因此，通过我们的可扩展解决方案，我们告诉客户:让我们来做重的或轻的搬运。”
根据约翰逊的说法，Skymaker主要适用于至少有洗碗机大小的航天器。
政府的支持
MDA空间公司目前还在为美国主导的“门户”空间站开发机械臂系统，该空间站计划绕月运行，这代表了加拿大对该计划的贡献。
加拿大国际空间站机器人扩展的消息是在该国政府提议成立国家空间委员会的一天后发布的，这是“政府对太空探索、技术开发和研究的新整体方法”的一部分。
该委员会是作为加拿大2024年预算请求的一部分宣布的，其中包括2024-25年向加拿大航天局提供的约600万美元用于月球探测加速器计划(LEAP)，该计划投资于月球轨道、月球表面及其他地方的科学和技术活动。
Skymaker的声明也是MDA Space更广泛转型的一部分。MDA Space是一家机器人、卫星系统和地球情报提供商，在2020年从Maxar Technologies分拆出来后，在多伦多证券交易所上市。
该公司成立于近55年前，当时名为MacDonald, Dettwiler and Associates。
该公司于3月7日更名为MDA Space，几周后将其软件定义卫星产品线命名为Aurora。
加拿大地球同步卫星运营商Telesat是Aurora的主要客户，根据一份价值约16亿美元的合同，已经为其近地轨道宽带网络“光速”订购了首批198颗卫星。SpaceX将于2026年开始发射这些卫星。
约翰逊表示，自四年前从Maxar分离出来并成为上市公司以来，MDA Space已经能够在其所有业务领域“大力投资下一代产品、路线图和技术”。
该公司的太空机器人竞争对手包括Maxar、美国的Redwire和日本的GITAI。
中国突破：从“追赶者”到“领跑者”
近年来，中国在空间机器人技术领域取得显著进展。2021年，我国航天发射次数首破50次，发射量位居世界第一。2022年，我国航天共完成64次发射任务，再创新高，其中包括6次载人航天重大任务：2次货运飞船、2次神舟飞船、1次问天实验舱、1次梦天实验舱发射。航天事业的快速发展有效支撑了国家重大战略需求，为重大航天工程与空间探索任务提供了重要保障。
在航天器维护领域，目前我国在轨工作的航天器数量已经超过600颗，2023年完成航天发射67次，涉及载荷200余个，未来还将开启探月工程四期和行星探测工程等一系列航天重大工程。然而，在地球同步轨道（GEO），平均每年有2颗卫星因故障需要作离轨处理，4颗卫星提前耗尽燃料，20颗卫星因寿命到期退役，严重制约我国航天事业的进一步发展，迫切需要进行故障维修、辅助展开、燃料加注等在轨维护任务。
在未来的航天器维护任务中，空间机器人将作为核心装备，发挥至关重要的作用。随着空间机器人技术的不断进步，利用空间机器人系统自主完成复杂、危险的在轨任务已成为国内外航天机构的研究热点。因此，实施面向航天器自主维护的空间机器人发展战略，有助于推动我国空间科学技术水平的整体跃升、促进航天事业的科学发展，为建设航天强国提供重要支撑和有力保障。
中国空间站的智能化发展不仅体现在机器人的应用上，还贯穿于整个空间站的设计和运营过程中。通过不断优化和完善空间站的各项功能和技术，中国正逐步构建起一个高效、安全、智能化的太空科研平台。
随着神舟十九号航天员乘组在空间站内持续开展各项任务，包括全系统压力应急演练、设备检查维护以及账务管理等工作，中国空间站的智能化水平正在不断提升。未来，随着更多智能化机器人的加入和空间站的进一步升级，中国空间站将展现出更加卓越的性能和更加广阔的应用前景。
中国空间站的智能化发展不仅将为中国航天员提供更加便捷和高效的工作环境，也将为国际合作项目提供更加广阔的合作空间。未来，中国将继续加强与各国在空间技术领域的交流与合作，共同推动人类探索太空的伟大事业。
展望未来：机遇与挑战并存
空间机器人技术是衡量一个国家航天实力的重要标志，其发展水平直接影响着太空探索的深度和广度。当前，中国在该领域已取得重要进展，但仍面临一些挑战：
- 核心技术有待突破：在智能感知、决策规划、人机协作等方面仍需持续创新。
- 商业化应用尚待开拓：如何将技术优势转化为商业价值，是未来发展的关键课题。
- 国际竞争日益激烈：美国、加拿大等国在该领域持续领跑，中国需要加大研发投入，保持技术优势。
面对挑战，中国已展现出坚定的决心和行动力。从“小航”机器人的成功应用，到管道检测机器人的创新突破，再到未来6舱位空间站的规划，中国正在以科技创新驱动航天事业高质量发展。
空间机器人技术的发展，不仅将推动航天强国建设，还将带动新材料、精密制造、人工智能等相关产业的协同发展，为国家科技创新和产业升级注入新的动力。随着技术的不断进步，空间机器人必将在更广阔的领域展现其独特价值，为人类探索宇宙、利用太空资源开辟新的可能。