美國空間對抗新利器－ＦＲＥＮＤ

早在上世紀80年代，許多國家和研究機構(gòu)已經(jīng)開始研究利用機器人替代宇航員完成艙外活動和工作的可行性。20多年來，空間機器人的研究在理論和實踐兩方面都取得了巨大的成就，空間機器人已經(jīng)在“哈勃”望遠鏡的修復，國際空間站建造等應用中發(fā)揮了主要作用。此外，歐美等國也進行了多次實驗型的自主空間機器人的發(fā)射，并且在衛(wèi)星抓捕、航天器部件更換等領(lǐng)域取得了成功。今后，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，空間機器人將應用于未來的空間攻防作戰(zhàn)，成為新的空間對抗武器。

何為空間機器人

空間機器人是指具有一體化的空間感知、機動和操作能力，兼有智能自主控制或地面遙操作控制模式，對指定空間目標開展多種操作的一類多功能新型航天器。其主要使命是在太空中實施各種空間操作，為在軌服務奠定基礎(chǔ)。

空間機器人可以為己方航天器進行燃料補給來增加在軌衛(wèi)星的工作壽命；可以對在軌衛(wèi)星進行升級，擴展在軌衛(wèi)星的能力；可以使用機器人對衛(wèi)星進行故障檢測和維修，這樣可以避免由于衛(wèi)星出現(xiàn)故障而遭廢棄，確保在軌衛(wèi)星的正常運行。空間機器人也可以對敵方的航天器進行監(jiān)視操作，準確獲取敵方航天器的有效數(shù)據(jù)，對敵方航天器進行各種形式的軟，硬殺傷，大大提高空間對抗能力。

空間機器人有著極強的空間對抗應用潛能。早在2001年1月美國空軍進行的第一次“施里弗”空間作戰(zhàn)演習中，美軍就特別模擬了使用載人航天器的機械臂、空間機器人和軍事宇航員直接破壞和劫持敵方衛(wèi)星和軍事航天器的情景。在美國2003年2月舉行的“施里弗Ⅱ空間作戰(zhàn)演習中，這部分內(nèi)容得到了進一步的加強。可以預計，隨著空間軍事化步伐的加快，利用空間機器人對敵方航天器進行接近、監(jiān)視、捕獲乃至攻擊的能力將是增強空間作戰(zhàn)力量的一個重要手段。目前，各航天大國紛紛制定了相關(guān)的研究計劃，推動本國空間機器人技術(shù)的研究。加拿大的空間機器人技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，主要的研究計劃包括空間機械臂系統(tǒng)(SRMS)、活動服務系統(tǒng)(MSS)和DEXTRE機器人。目前，加拿大已經(jīng)制定了長遠的發(fā)展規(guī)劃。

日本的空間機器人計劃主要有日本實驗艙機械手臂(JEMRMS)計劃、“工程試驗衛(wèi)星-VII”(ETS—VII)和“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”(HTV)計劃。

德國在研制空間機器人方面，非常重視機械臂本身的研究，主要計劃包括輕型機器人計劃、“機器人技術(shù)試驗”(ROTEX)計劃、SLES和TECSAS計劃。

美國早期的研制重點是行星表面探測機器人，上世紀80年代制定了“飛行遙控機器人服務者”(FTS)計劃，1992年NASA又啟動了空間遙操作機器人項目(STP)。進入新世紀后，美國把空間機器人的應用擴展到了軍事領(lǐng)域，發(fā)展了“軌道快車”和“近期能驗證的機器人技術(shù)”(FREND)計劃。其中“軌道快車”已于2007年4月發(fā)射，并成功完成了諸多開創(chuàng)新試驗。在“軌道快車”計劃后，美國目前重點發(fā)展了針對非合作目標的新一代空間機器人計劃——FREND。FREND的主要目的是增加衛(wèi)星的壽命以節(jié)省成本，驗證在軌自主衛(wèi)星服務的能力以及太空機器人活動的有效性。FREND最大的特點在于能夠?qū)崿F(xiàn)對非合作目標的捕獲，這就使其很容易被改造成為空間武器。而且，F(xiàn)REND最終的運行軌道將在地球同步軌道，這就使美國具備了全軌道高度反衛(wèi)星的能力。

FREND的結(jié)構(gòu)與工作流程何為FREND

FREND fFron end Robotics Ena-bling Near-Term Demonstration)計劃是由美國國防高級研究局(DARPA)負責的一項先進技術(shù)演示計劃，該項目原名“通用軌道修正航天器”(Spacecraft for the Universal Modification Of Orbits，SUMO)，由美國海軍研究實驗室空間技術(shù)中心(NRL)負責具體開發(fā)，聯(lián)合空間系統(tǒng)公司(ASI)、LLC公司和CA公司作為子承包商負責機器臂的設計與建造。FREND將演示計算機視覺系統(tǒng)、自動機械系統(tǒng)以及自動控制算法的綜合集成能力，以期望在未來的空間活動中，完成對航天器的自動對接，捕獲、燃料加注、維修等。FREND與以往進行此類操作的航天器最大的不同在于它能夠捕獲任何一種衛(wèi)星，而不需要事先在衛(wèi)星上安裝對接裝置，同時也不需要給它們做任何標記。

從功能上看，F(xiàn)REND實質(zhì)上是一種空間機器人。其主要作用包括兩方面：(1)對于在設計之初考慮了在軌維修需求的航天器(此類航天器安裝有相應的對接和部件替換接口，需進行特殊設計)，能夠進行在軌維修、轉(zhuǎn)移并安裝軌道替換單元、補充燃料等；(2)對于未考慮在軌維修服務的航天器(普通航天器，包括本國和他國)，能夠進行位置保持、姿態(tài)控制、軌道推移和修正。

FREND的結(jié)構(gòu)

FREND主要由推進模塊和有效載荷模塊組成：推進模塊包括1個推力為489牛的火箭發(fā)動機，6個推力為22牛的姿態(tài)控制系統(tǒng)推進器、2個連接的太陽能電池陣，星象跟蹤儀、慣性測量單元、2個天地鏈路系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器，全球定位系統(tǒng)接收器及平臺處理器。有效載荷模塊包括自動對接及捕獲系統(tǒng)，具體包括34"7自由度的通用機器臂、計算機視覺系統(tǒng)、3個工具箱、遠程獲取傳感器、以及有效載荷處理器。推進模塊與有效載荷模塊的功能相互獨立，這兩個模塊按照DARPA的要求，由兩個獨立的組織分別開發(fā)。

FREND的工作過程

根據(jù)NRL的信息表明，設計好的FREND將運行在地球同步軌道上，美國未來昂貴的通信衛(wèi)星將會成為FREND服務的主要對象。按照預想，4個FREND將被部署在環(huán)繞地球的暫泊軌道上。在需要執(zhí)行任務時，控制者將選擇離目標衛(wèi)星最近的FREND在合適的時間使其進入朝向目標衛(wèi)星的轉(zhuǎn)移軌道。一旦FREND接近到離目標100千米時，遠距離傳感器將能夠發(fā)現(xiàn)目標衛(wèi)星，同時FREND能夠使用推進器在軟件程序的控制下接近到目標100米的位置。在此位置，F(xiàn)REND的“計算機視覺系統(tǒng)”將開始啟動并產(chǎn)生目標的圖像。然后算法程序處理目標圖像并確定目標的相關(guān)姿態(tài)——位置和方位。隨后，F(xiàn)REND上的計算機利用得到的目標數(shù)據(jù)導引FREND到距離目標1.5米的位置。在此位置，機器臂將開始進行捕獲。復雜的軌道規(guī)劃軟件將告訴FREND的機器臂怎樣移動去抓住目標而不會碰撞天線或其它結(jié)構(gòu)。最后，F(xiàn)REND的三個機器臂的末端受動器將插入到用于把衛(wèi)星連接到火箭的螺栓孔內(nèi)，按照需求對目標衛(wèi)星進行各種在軌服務。完成任務后，啟動分離程序，F(xiàn)REND離開目標衛(wèi)星回到暫泊軌道，等待下一次任務的命令。

FREND關(guān)鍵技術(shù)

直接捕獲技術(shù)

FREND和其它類似系統(tǒng)的最主要區(qū)別就在于

能夠捕獲非合作目標，被捕獲的目標航天器在設計時無需增加任何專門用于對接的接口和裝置。在實際捕獲過程中，F(xiàn)REND上三個機械臂的末端受動器(在機器人技術(shù)中，末端受動器是一種連接到機器人手臂上的設備或者工具)將在程序的控制下插入到用于把衛(wèi)星連接到火箭的螺栓孔，并抓住螺栓孔內(nèi)部。按照設計要求，三個機器臂對于目標衛(wèi)星的吸力為300磅/英寸²。接下來，連接的機器臂將鎖定在此固定連接處，同時為FREND的發(fā)動機提供推進力，把衛(wèi)星拖拽到新的位置。

FREND末端受動器的基本裝置包括1個接合環(huán)夾鉗、螺栓孔抓取器，并行夾鉗等。另外，F(xiàn)REND的機器臂擁有7個自由度，這使得末端受動器能進行任意6自由度的定位。

計算機視覺系統(tǒng)

計算機視覺系統(tǒng)為導航，末端受動器的控制等提供基本數(shù)據(jù)。計算機視覺系統(tǒng)包括20個排列在FREND的框架和三個機器臂上的照相機、照明系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能夠從分布在航天器平臺以及機器手末端的20架照相機中選出最優(yōu)的3架，利用圖像處理算法從目標圖像中產(chǎn)生目標姿態(tài)。

自動控制算法

自動控制算法對于FREND的功能具有重要的作用，NRL主要從三個方面對其進行研究(1)“運動規(guī)劃，對FREND進行“運動規(guī)劃”的目的在于使其能在復雜的環(huán)境下安全運轉(zhuǎn)。FREND的“運動規(guī)劃”算法能夠為包括擁有21個自由度的3個機器臂在內(nèi)的系統(tǒng)實時計算并提供運動軌跡。運動軌跡既要能滿足動力學約束，還要能避免與空間物體發(fā)生碰撞。為此，NRL的研究人員正在為FREND開發(fā)一種基于最優(yōu)控制原理的新型運動規(guī)劃算法。(2)“適應性控制”，保持FREND的機器臂系統(tǒng)與被捕獲目標之間的相互適應性是非常重要的，這種適應性用于阻止FREND以及目標衛(wèi)星受到損壞，同時還防止由FREND引起目標衛(wèi)星的意外移動。解決這一問題的方法是增加機械適應裝置，比如給末端受動器增加減震器。(3)“基礎(chǔ)運動補償”，在實際操作中，F(xiàn)REND的機器臂并非處于完全靜止狀態(tài)，這對末端受動器的精確定位不利，因此NRL將開發(fā)遺傳算法以補償FREND機器臂的移動。

FREN D進展情況

FREN D發(fā)展歷程

2002年DARPA開始FREND的研制計劃。2005年4月，NRL的工程師進行了一系列FREND捕獲技術(shù)的成功演示試驗。2005年11月，F(xiàn)REND項目辦公室公開宣布尋求開發(fā)FREND適應機器臂的建議，并于次月開始對這些建議進行評估。2006年DARPA將SUMO改名為FREND。改名主要原因在于，DARPA認為使用“軌道修正”這樣的詞匯對于某些國家可能太敏感，可能會產(chǎn)生不良的影響，另一方面，該項目的研制人員認為該計劃近期的重點將以地面試驗為主，使用新的名稱更為恰當。FREND項目2009財年的預算為1070萬美元，如果所有進展順利，F(xiàn)REND的載荷將在2008年前準備好，隨后其將安裝在FREND框架內(nèi)，并且將在2010年進行軌道演示試驗。

試驗演示情況

2005年4月，在NRL進行的歷時3年的FREND研制和建造工作完成了成功的實驗室演示，該演示試驗使用NRL位于華盛頓的“接近操作試驗床”(POTB)來進行。為了此次演示，NRL研制了2個攜帶發(fā)動機的金屬平臺在其中一個平臺上，NRL的工作人員安裝了FREND航天器的一部分，主要包括7個照相機和一個簡單的不具備飛行條件的機器臂，這些部件與裝有FREND控制軟件的計算機進行有線連接。另一個平臺是波音702衛(wèi)星平臺的仿制衛(wèi)星。在試驗時，技術(shù)人員關(guān)閉了燈光以模擬空間黑暗的環(huán)境，并試驗了兩個航天器在軌接近的復雜運動以及機器手與模擬目標的對接操作。下一階段，NRL的工作人員將開始為FREND設計具備飛行條件的機器臂和末端受動器，同時編寫飛行軟件代碼，該軟件將在軌控制機器臂和末端受動器。

地面的實驗室演示難以精確模擬空間中的真實環(huán)境，因此需要進行空間的飛行演示試驗。目前還沒有確定FREND的具體演示時間，其基本演示計劃將包括兩個任務：(1)FREND由“飛馬-XL”火箭從美國東部發(fā)射進入低地球軌道，F(xiàn)REND將對一個作為目標航天器的“飛馬-XL”第三級進行嚴格的自主對接、捕獲以及其它服務試驗。(2)在對“飛馬-XL”火箭第三級的試驗結(jié)束后，F(xiàn)REND將對一顆廢棄的低地球軌道衛(wèi)星進行自主對接、捕獲及推進等試驗，該衛(wèi)星與“飛馬-XL”的第三級位于同一軌道。目前美國軍方已經(jīng)選定了將進行試驗的低地球軌道衛(wèi)星，但拒絕透露具體是哪顆衛(wèi)星。

FREND的應用分析

美國為了確保自己絕對的太空優(yōu)勢不遺余力地發(fā)展各類空間技術(shù)，F(xiàn)REND是其中的典型代表，同時也體現(xiàn)了當今空間技術(shù)的發(fā)展方向，有著巨大的商業(yè)和軍用價值。

商業(yè)價值

在軌修復與升級。當航天器某些部件出現(xiàn)故障或者需要升級時，可以使用FREND完成某些部件的替換，從而完成航天器的在軌升級與修復。

燃料補給。使用FREND的捕獲技術(shù)，可以抓住需要加注燃料的衛(wèi)星，通過燃料通道對衛(wèi)星進行燃料補給從而延長衛(wèi)星壽命。

清除垃圾。廢棄的衛(wèi)星和火箭已經(jīng)成為航天器運行的威脅之一，可以通過FREND的軌道轉(zhuǎn)移功能把此類垃圾移出軌道，提高航天器的生存能力。

輔助發(fā)射。在運載火箭推力有限的條件下，可以發(fā)射大型的航天器，包括各種大型有效載荷，然后再使用FREND把它們組裝在一起。也就是說，對于體積和重量都超過運載火箭能力的發(fā)射任務，完全可由通過FREND來輔助完成發(fā)射。

軍事價值

雖然DARPA和NRL的工作人員表示，F(xiàn)REND的主要目的是增加衛(wèi)星的壽命以節(jié)省成本，驗證在軌自主衛(wèi)星服務的能力以及太空機器人活動的有效性。但是分析家認為其價值遠大于此。美國近5年來，每隔一年都要進行交會對接或者逼近繞飛的試驗，從2003年的XSS-10、2005年的XSS-11和DART到2006年的“軌道快車”不難看出，美國對此類技術(shù)的重視程度及其未來太空攻防的發(fā)展方向。

先進的太空攻防武器

近年來，太空軍事化程度愈演愈烈，美國感到自己的太空安全受到了威脅，為此一直在積極探索太空防御。決定研制FREND，可以說是美軍對太空防御問題進行長時間思考的結(jié)果，其能夠很好的用于太空防御。首先，F(xiàn)REND具備強大的軌道轉(zhuǎn)移能力，能夠使用機器臂和機械手捕獲商業(yè)或軍用衛(wèi)星，同時還可以把它們送入新的軌道。這樣當探測到威脅時，可以用FREND把衛(wèi)星拖拽到新的軌道，躲避反衛(wèi)星武器的攻擊進行被動防御。其次，還可以在FREND上安裝空間監(jiān)視裝置、攻擊告警裝置和針對威脅的對抗裝置。部署在主衛(wèi)星周圍進行伴飛，當發(fā)現(xiàn)有針對衛(wèi)星的攻擊行為時，可以針對攻擊進行誘騙、阻擋或攔截等主動防御。

除了太空防御外，F(xiàn)REND的最大特點就在于能夠?qū)崿F(xiàn)對非合作目標的捕獲，這就使其很容易被改造成反衛(wèi)星武器。一方面可以利用FREND的軌道機動和對接能力捕獲敵方衛(wèi)星，使其改變軌道和姿態(tài)，這對于突防是非常有效的。而且這種攻擊具有“可逆”的優(yōu)勢，需要時還可以把敵方衛(wèi)星推回原軌道，另一方面，可以使用FREND的機器臂直接與衛(wèi)星進行碰撞，對其進行硬殺傷破壞。同時，F(xiàn)REND最終的運行軌道將在地球同步軌道，這使得美國可具備全軌道高度的反衛(wèi)星能力。

實戰(zhàn)型太空維修站

FREND具有高度自動化的機械手臂，初步具有替代航天員在太空完成太空維修作業(yè)的能力。以往，美國進行太空搶修主要依靠航天員搭乘航天飛機，接近需要修復的航天器，然后實施出艙活動，進行人工維修。然而在戰(zhàn)爭環(huán)境下派遣航天員執(zhí)行航天器維修任務，無疑是不可能的。無人太空維修技術(shù)的軍事價值在于，無須冒什么風險就可以對那些在太空交戰(zhàn)中受損的高價值航天器進行搶修，提升美軍太空戰(zhàn)體系的生存力和作戰(zhàn)實力。

結(jié)束語

FREND的技術(shù)一旦成熟并運用于實戰(zhàn)，美軍將在太空中同時具備攻防兩種能力，不僅能夠打擊對方的航天器，還可以防止己方的航天器被對方襲擊，使美軍在未來的太空攻防對抗中占據(jù)絕對優(yōu)勢，F(xiàn)REND的成功也將觸發(fā)軍事航天技術(shù)及應用發(fā)展的新一輪變革。美國雖然宣稱發(fā)展FREND的主要目的是延長衛(wèi)星壽命、提高衛(wèi)星生存能力，但其相關(guān)技術(shù)必將在空間攻防中得到廣泛的應用，值得高度關(guān)注。