2023年10月26日,，神舟十七號載人飛船運(yùn)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(wù)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(jìn)行修復(fù),，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(shù)完成太空維修任務(wù),？
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(hù)，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(chǎn)生高溫，加速航天器外部設(shè)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(wù)想象圖
當(dāng)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(qiáng)大的太空維修能力，保障太空任務(wù)順利進(jìn)行,。
太空維修是航天領(lǐng)域的重要課題和關(guān)鍵環(huán)節(jié),，主要是在太空中對衛(wèi)星、空間站,、航天運(yùn)輸器等各種航天器進(jìn)行維修和保養(yǎng)的技術(shù),。具體來說，維修對象包括航天器外部和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)體,、航天員生活工作所必需的支持系統(tǒng),、各類電子設(shè)備及線路,，還有航天器運(yùn)行狀態(tài)恢復(fù)和軌道修正工作,。
作為太空探索任務(wù)的一部分，太空維修是不可或缺的,，直接關(guān)系到航天器能否長期穩(wěn)定運(yùn)行,，能否保障正常的任務(wù)進(jìn)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(zhì)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(chǎn)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(shí)施太空維修任務(wù),，既有航天飛機(jī)利用機(jī)械臂回收廢棄衛(wèi)星，又有航天員親自上陣的哈勃望遠(yuǎn)鏡感光探測器修復(fù),、國際空間站漏氣孔封堵等任務(wù),。未來，人類將探索更遙遠(yuǎn)的深空,，而這些寶貴的近地軌道工作經(jīng)驗(yàn)有望為深空任務(wù)保駕護(hù)航,。
化解不同領(lǐng)域難題
縱觀各國航天任務(wù)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(shù)難題需要解決,。
當(dāng)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(jìn)行必要的維護(hù)與維修,，確保飛行安全和完成任務(wù),。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(dá)數(shù)十公斤的航天服在保護(hù)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(fù)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(yùn)動狀態(tài)和可靠的約束關(guān)系。雖然安全繩,、磁力手套等特殊工具可以幫助航天員適應(yīng)太空環(huán)境,，但也降低了太空維修效率。
盡管成功經(jīng)驗(yàn)不少,，但目前太空維修仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù),。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(shè)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(jìn)行維修保養(yǎng)工作,，因此他們需要更加特殊的工具和設(shè)備來完成任務(wù)。
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(shè)備的可靠性和性能產(chǎn)生負(fù)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(yùn)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(jī)器人對接衛(wèi)星提供在軌服務(wù)示意圖
隨著人工智能技術(shù)不斷進(jìn)步,，航天科研人員逐漸將目光瞄向了無人太空維修領(lǐng)域,，希望借助專業(yè)的太空機(jī)器人，更加高效,、安全地執(zhí)行日常維護(hù)任務(wù),，必要時化解故障險情。但是,，太空機(jī)器人想要完成在軌維修任務(wù),，目前仍面臨一些困難。
一方面,，現(xiàn)役航天器設(shè)計中對維修工作的準(zhǔn)備不多,，缺乏所謂“基準(zhǔn)標(biāo)記”，又沒有專門為機(jī)器人預(yù)留抓取裝置,，因此太空機(jī)器人不太容易對移動的衛(wèi)星等航天器進(jìn)行視覺定位,，更難以實(shí)施有效抓握和固定。也就是說,，太空機(jī)器人短期內(nèi)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(jī)器人和控制團(tuán)隊(duì)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(yùn)行的太空機(jī)器人來說，漫長的距離導(dǎo)致它與控制團(tuán)隊(duì)之間至少存在數(shù)秒的通信延遲,，這必然要求機(jī)器人能夠自主處理最細(xì)致的工作,，化解緊急險情,。在當(dāng)前的技術(shù)水平下,，這無疑降低了太空機(jī)器人的可靠性，增大了任務(wù)風(fēng)險,。
前沿科技提供助力
隨著多領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展,，太空維修工作也將受益匪淺，任務(wù)效率,、性價比和人員安全性都有望顯著提升,。
自動化技術(shù)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(fù)性太空維修工作,。例如,，機(jī)械臂利用各構(gòu)件的定位功能，可以精準(zhǔn)完成對航天器艙內(nèi)和艙外不同人員或設(shè)備的拾取、搬運(yùn),、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(jié)合的技術(shù),，機(jī)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(gòu)件的支撐平臺，協(xié)助完成艙外復(fù)雜任務(wù),，有效提高維修效率,，減少人為失誤，降低隱患,。
機(jī)械臂支持航天員艙外工作
3D打印技術(shù)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(dāng)航天器關(guān)鍵零部件出現(xiàn)損壞時,，太空維修必須在非常短的時間內(nèi)完成,，但航天運(yùn)輸工具有限的空間和高昂的運(yùn)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(shù),，航天員可以快速獲取形狀不規(guī)則的零部件,，及時進(jìn)行維修、替換,，大大減少等待時間和運(yùn)輸成本,，足以提高任務(wù)靈活性和可靠性，避免太空維修時機(jī)延誤的潛在風(fēng)險,。
隨著天地通信技術(shù)發(fā)展,，類似遠(yuǎn)程醫(yī)療的遠(yuǎn)程太空維修逐漸成為現(xiàn)實(shí)。地面專業(yè)人員借助實(shí)時通信和監(jiān)控,，在智能化輔助系統(tǒng)支持下,，實(shí)施遠(yuǎn)程指導(dǎo)和遙操作，無疑會提升太空維修效率,。比如,，在復(fù)雜的電子設(shè)備維修任務(wù)中，地面專業(yè)人員可以實(shí)時掌握故障細(xì)節(jié),，講解相關(guān)部件工作原理,，快速形成維修方案，必要時通過自動化設(shè)備進(jìn)行遙操作,，輔助航天員完成險情排除和維修任務(wù),，從而顯著減少航天員的工作量，降低航天員的訓(xùn)練強(qiáng)度和知識儲備成本,。
陸地模擬技術(shù)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(jìn)行一系列太空任務(wù)訓(xùn)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(nèi)會進(jìn)行多個層次要求的維修操作驗(yàn)證,，模擬處理太空維修中可能遇到的問題，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)交流與協(xié)調(diào)適應(yīng)性訓(xùn)練,，無疑將提升太空維修任務(wù)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(fù)空間站,，人類在太空維修領(lǐng)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(jìn)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(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用,，為人類探索宇宙之旅提供更加堅(jiān)實(shí)的保障。
