2023年10月26日,，神舟十七號載人飛船運送3名航天員入駐“天宮”,。按照計劃，神舟十七號乘組將在之后的出艙任務中對因空間微小顆粒撞擊造成的空間站太陽翼輕微損傷進行修復,，完成中國航天史上首次空間站艙外維修作業(yè),。那么，不同的太空維修工作需要解決哪些難題,？航天科研人員有望借助哪些新技術完成太空維修任務,？
太空探索呼喚“維修工”
在人類探索宇宙的過程中，各種意想不到的問題時有發(fā)生,。
比如,，在太空環(huán)境中，由于缺乏地球大氣層和磁場保護,，航天器的電子器件可能會在宇宙射線輻射下意外失效,。在高速飛行中，航天器表面與貌似稀薄的大氣持續(xù)摩擦,，同樣會產生高溫,，加速航天器外部設備老化,、破損。此外,，隨著外空探索活動不斷開展,，人類遺留的空間廢棄物日益增多，包括很多難以察覺的微小碎片,，撞擊航天器的情況在所難免,。
航天員執(zhí)行太空維修任務想象圖
當航天器遭遇各種意外而發(fā)生故障時，就需要航天員或航天科研人員具備強大的太空維修能力,，保障太空任務順利進行,。
太空維修是航天領域的重要課題和關鍵環(huán)節(jié)，主要是在太空中對衛(wèi)星,、空間站,、航天運輸器等各種航天器進行維修和保養(yǎng)的技術。具體來說,，維修對象包括航天器外部和內部的結構體,、航天員生活工作所必需的支持系統(tǒng)、各類電子設備及線路,，還有航天器運行狀態(tài)恢復和軌道修正工作,。
作為太空探索任務的一部分，太空維修是不可或缺的,，直接關系到航天器能否長期穩(wěn)定運行,，能否保障正常的任務進度。對于載人航天器來說,，航天員的生命安全和健康狀況直接取決于太空維修的效率和質量,。此外，高效的太空維修還能延長航天器的使用壽命,，減少太空垃圾的產生,，有助于太空環(huán)境的可持續(xù)利用。
此前,，國外已多次成功實施太空維修任務,，既有航天飛機利用機械臂回收廢棄衛(wèi)星，又有航天員親自上陣的哈勃望遠鏡感光探測器修復,、國際空間站漏氣孔封堵等任務,。未來，人類將探索更遙遠的深空,，而這些寶貴的近地軌道工作經驗有望為深空任務保駕護航,。
化解不同領域難題
縱觀各國航天任務及未來規(guī)劃，太空維修工作可以分為有人和無人兩大類,，各有技術難題需要解決,。
當前,，航天員在軌維修是最常見的太空維修方式。航天員出艙活動可以對航天器進行必要的維護與維修,，確保飛行安全和完成任務,。考慮到艙外的惡劣環(huán)境,，航天員必須穿戴特制的艙外航天服,。這些重達數十公斤的航天服在保護航天員免受外界輻射、空間碎片傷害的同時,，也極大地限制了航天員的觀察視野,、活動空間和體力，增大了太空維修的困難,。
另外,，由于微重力環(huán)境影響，力的作用更加復雜,，許多在地面上可以輕松完成的操作在太空中就顯得比較困難,，航天員需要保持與航天器相對穩(wěn)定的運動狀態(tài)和可靠的約束關系。雖然安全繩,、磁力手套等特殊工具可以幫助航天員適應太空環(huán)境,，但也降低了太空維修效率。
盡管成功經驗不少,，但目前太空維修仍是一項極具挑戰(zhàn)性的任務,。簡單地說，航天員參與的太空維修工作面臨著至少3個方面阻礙,。
首先,，太空維修環(huán)境幾乎是零重力，維修設備和零件在太空中四處飄蕩,，航天員必須在保證諸多微小物品受控的前提下進行維修保養(yǎng)工作,，因此他們需要更加特殊的工具和設備來完成任務,。
其次,，太空維修環(huán)境充斥著來自不同方向的高輻射能量，不僅會對電子設備的可靠性和性能產生負面影響,，干擾航天員的操作效果,，妨礙與地面人員順暢交流，而且會對航天員的身體和心理健康造成威脅,。
最后,，太空維修環(huán)境處于高速運動中，航天員在出艙作業(yè)時萬一與航天器失去連接固定,，恐怕難以順利返回航天器,。
太空機器人對接衛(wèi)星提供在軌服務示意圖
隨著人工智能技術不斷進步,，航天科研人員逐漸將目光瞄向了無人太空維修領域，希望借助專業(yè)的太空機器人,，更加高效,、安全地執(zhí)行日常維護任務，必要時化解故障險情,。但是,，太空機器人想要完成在軌維修任務，目前仍面臨一些困難,。
一方面,，現役航天器設計中對維修工作的準備不多，缺乏所謂“基準標記”,，又沒有專門為機器人預留抓取裝置,，因此太空機器人不太容易對移動的衛(wèi)星等航天器進行視覺定位，更難以實施有效抓握和固定,。也就是說,，太空機器人短期內僅適用于特定匹配的航天器，通用性和性價比大打折扣,。
另一方面,，太空機器人和控制團隊之間的通信時間延遲仍然難以忽略。對于在地球同步軌道上運行的太空機器人來說,，漫長的距離導致它與控制團隊之間至少存在數秒的通信延遲,，這必然要求機器人能夠自主處理最細致的工作，化解緊急險情,。在當前的技術水平下,，這無疑降低了太空機器人的可靠性，增大了任務風險,。
前沿科技提供助力
隨著多領域技術發(fā)展,，太空維修工作也將受益匪淺，任務效率,、性價比和人員安全性都有望顯著提升,。
自動化技術通過使用自動化工具，有望輔助或替代完成相對簡易的重復性太空維修工作,。例如,，機械臂利用各構件的定位功能，可以精準完成對航天器艙內和艙外不同人員或設備的拾取,、搬運,、定位和釋放。在太空維修中，通過航天員在軌自主操作與遙控操作相結合的技術,，機械臂能夠在空間站或其他軌道器外部完成大幅度維修動作,，或者作為航天員和大型構件的支撐平臺，協(xié)助完成艙外復雜任務,，有效提高維修效率,，減少人為失誤，降低隱患,。
機械臂支持航天員艙外工作
3D打印技術能夠在太空中快速制造所需的零部件和工具,，為太空維修工作提供了新的解決方案,。當航天器關鍵零部件出現損壞時,，太空維修必須在非常短的時間內完成,，但航天運輸工具有限的空間和高昂的運輸成本在傳統(tǒng)上都阻礙了備份替換效率。借助3D打印技術,，航天員可以快速獲取形狀不規(guī)則的零部件,，及時進行維修、替換,，大大減少等待時間和運輸成本,，足以提高任務靈活性和可靠性，避免太空維修時機延誤的潛在風險,。
隨著天地通信技術發(fā)展,，類似遠程醫(yī)療的遠程太空維修逐漸成為現實。地面專業(yè)人員借助實時通信和監(jiān)控,，在智能化輔助系統(tǒng)支持下,，實施遠程指導和遙操作，無疑會提升太空維修效率,。比如,，在復雜的電子設備維修任務中，地面專業(yè)人員可以實時掌握故障細節(jié),，講解相關部件工作原理,，快速形成維修方案，必要時通過自動化設備進行遙操作,，輔助航天員完成險情排除和維修任務,，從而顯著減少航天員的工作量，降低航天員的訓練強度和知識儲備成本,。
陸地模擬技術通過搭建近似太空場景,，提供適合太空作業(yè)環(huán)境的保障條件,，可以幫助航天員在地面進行一系列太空任務訓練,，提高太空操作技能，熟悉太空工作流程。例如,，在陸地模擬維修中,，航天員在中性浮力水槽內會進行多個層次要求的維修操作驗證，模擬處理太空維修中可能遇到的問題,，進行團隊交流與協(xié)調適應性訓練,，無疑將提升太空維修任務的可靠性和安全性。
總之,，太空維修為航天器提供了安全可靠的保障,。從搶救衛(wèi)星到修復空間站，人類在太空維修領域已做出了勇敢的嘗試,，而且成就斐然,。相信隨著科技不斷進步，未來太空維修將朝著更加高效,、安全和自動化的方向發(fā)展,。廣大航天科研人員將推動太空維修技術的進步和應用，為人類探索宇宙之旅提供更加堅實的保障,。
