Роботы для освоения космоса

Эта статья — часть материалов: кафедры Факультет робототехники

Введение

Вопрос замены человека роботами начал рассматриваться учеными и фантастами еще в начале ХХ века. Человек все больше и больше осваивал окружающее пространство, расширял сферу своей деятельности. Все чаще человек направлял свою работу в те среды, где для его здоровья и жизни условия окружающего пространства представляли опасность. Поэтому задача создания роботов для работы в опасных для человека условиях стал жизненной необходимостью. Сначала человек заменил роботами выполнение трудоёмких операций, таких как автоматизированная линия сборки автомобилей.

Чем дальше шёл технический прогресс, тем в больших областях хозяйственной деятельности человека находили применение роботы и робототехнические системы.

В настоящее время роботы стали неотъемлемой частью производства, высвобождая человека в его трудовой деятельности. Космос является одной из областей применения автоматизированных и робототехнических систем в связи с высокой опасностью для человека открытого космоса.

Что такое косморобот?

Космороботы – это роботы, приспособленные работать в космическом пространстве. Преимущество космических роботов перед человеком заключается в том, что они могут работать в крайне неблагоприятных условиях (например, в космосе есть радиация, поэтому человек не может выйти в открытый космос без скафандра, чего нельзя сказать про робота) и обходиться без каких-либо ресурсов (например, топлива), так как в большинстве случаев они работают на солнечных батареях. Также гораздо легче будет пережить потерю такого робота, чем гибель астронавта. Обычно, задача косморобота заключается в проведении какой-нибудь научной работы (например, собрать образцы грунта, просканировать их и отправить собранные данные учёным на Землю). Вообще-то, тоже самое может сделать и обычный робот, работающий на земной поверхности, но к космороботу есть несколько основных требований, которым он должен соответствовать.

Например:

перенести запуск
функционировать в сложных условиях враждебной среды
весить как можно меньше
потреблять мало энергии и иметь долгий срок службы
работать в автоматическом режиме
обладать чрезвычайной надежностью

Для того, чтобы соответствовать всем этим требованиям, учёные создают все новые и новые устройства, механизмы, приводы, микроконтроллеры, обладающие высокой прочностью и использующим как можно меньше энергии. Эксперты подсчитали, что отправление на Марс человека будет стоить примерно 200-300 миллиардов долларов, при том что это будет безвозвратное отправление. Еще придется потратить несколько месяцев на психологическую адаптацию участников экспедиции. А отправка корабля, на борту которого будет робот, обойдется примерно в 5-10 миллиардов долларов. Так что роботы в космосе обходятся намного дешевле, чем люди.

Самые известные роботы, которых используют в космических исследованиях - это роверы. Они функционируют в автоматическом режиме и приспособлены для передвижения по поверхности другой планеты. Обычно они комплектуются научно-исследовательским оборудованием, камерой, передатчиком (для связи с Землей) и солнечными батареями, для долгой и автономной работы. Далее я приведу пример космороботов, которые когда-то работали в космосе, работают сейчас, или которых планируют запустить в будущем. И начну я с Лунохода.

Примеры

Луноходы

Луноход-1

Луноход-1 – первый в мире дистанционно-управляемый самоходный аппарат, успешно работавший на Луне. Отправлен он туда был для изучения лунного грунта, а также для изучения радиоактивного и рентгеновского излучения. На поверхность луны он был доставлен 17 ноября 1970 года советской межпланетной станцией «Луна-17».

Технические характеристики:

Масса – 756 килограмм
Длина – 4,42 метра
Ширина – 2,15 метров
Высота – 1,92 метра
Диаметр колес – 510 миллиметров
Ширина колес – 200 миллиметров
Колесная база – 1700 миллиметров
Ширина колеи – 1600 миллиметров

Оборудование:

Две телекамеры (одна резервная), четыре панорамных телефотометра,
Рентгеновский флуоресцентный спектрометр
Рентгеновский телескоп
Одометр-пенетрометр
Детектор радиации
Лазерный рефлектор
Антенна для передачи информации на Землю

У каждого из его восьми колес был свой электродвигатель и свой тормоз, благодаря чему этот робот мог ездить не только вперед-назад, но и объезжать глубокие кратеры и небольшие скалы. В качестве приводов использовали электродвигатели в силу одной причины – другого «горючего» на Луне нет. Электричество косморобот брал из солнечной батареи, установленной у него на крышке приборного отсека. Мощность батареи была равна 180 ватт. Также в систему энергопитания лунохода входили химические буферные батареи. Вместо глаз у Лунохода-1 были телекамеры. В них было применено малокадровое телевидение с частотой смены картинки от 1 кадра в 4 секунды до 1 кадра в 20 секунд.

Луноход-1 проработал в 3 раза дольше запланированного срока, успев проехать 10540 метров, передав на Землю 211 панорам и около 25000 фотографий. Проработав чуть больше 301-го дня, он не вышел на связь с Землей в связи с выработкой изотопного источника теплоты, поддерживающего тепло внутри лунохода.

Луноход-2

Луноход-2 - второй в мире дистанционно-управляемый самоходный аппарат. Он был разработан для фотосъёмки и видеосъёмки Луны, проведения экспериментов с наземным лазерным дальномером и прочих операций. На поверхность луны был доставлен станцией «Луна-21» 15 января 1973 года. Технические характеристики были примерно такие же, как и лунохода-1. Но главным отличием Лунохода-2 от Лунохода-1 являлось наличие третьей телекамеры, установленной на уровне человеческих глаз, что позволяло смотреть намного дальше. Также у него увеличилась масса по сравнению со своим младшим собратом, и составила 836 килограмм. При посадке у него была повреждена система навигации, из-за чего экипажу лунохода пришлось ориентироваться по Солнцу и по звездам. Проработал он почти 5 месяцев, за которые он успел преодолеть 37 километров, передал на Землю 86 панорам и около 80 000 кадров телесъёмки, после чего вышел из строя из-за перегрева аппаратуры внутри корпуса.

Марсоходы

Марсоход – это аппарат, предназначенный для изучения планеты Марс.

«Спирит» и «Оппортьюнити»

Марсоходы «Спирит» и «Оппортьюнити» - аппараты близнецы, успешно запущенные на Марс в 2004 году. Отправлены они были туда , впринципе, для одной цели – установить, была ли когда-нибудь на Марсе вода или нет.

Технические характеристики:

Масса – 185 килограмм
Длина – 1,6 метров
Ширина – 2,3 метра
Высота – 1,5 метра
Максимальная скорость 50 миллиметров в секунду
Рабочая температура – от -40оС до +40оС

Оборудование :

Бур
Две телекамеры
Микроскоп
Два спектрометра
Манипулятор
Навигационная система
Панорамная камера
Миниатюрный спектрометр теплового излучения
Спектрометр альфа-излучения
Антенна для передачи данных на Землю

На марсоходах этого типа установлено 6 колес, каждое из которых имеет свой собственный электродвигатель. Для разворота марсоход поворачивает передние и задние колёса на нужный угол, разворачиваясь при этом практически «на месте». Телекамеры отдалены друг от друга примерно на расстояние глаз человека. Они фотографируют в разрешении 1024х1024 пикселя. С помощью научного оборудования он берет образцы грунта, анализирует их и отправляет данные учёным. Также в них были установлены электронагреватели, которые поддерживали температуру, необходимую для работы робота. Дополнительно в них установлены радиоизотопные нагреватели, для работы при очень низких температурах.

Всей этой аппаратурой управлял бортовой компьютер, тактовая частота которого равна 20 мегагерц. Питалась вся электроника от солнечной батареи, установленной у него не верху. Вырабатывала она примерно 140 Ватт в 4 часа. Также она заряжала литиево-ионный аккумулятор, энергия с которого использовалась в ночное время. Изначально рассчитывали, что эти марсоходы проработают около 90 дней, и их миссия завершится, но проработали они гораздо больше. Спирит проработал больше шести лет, после чего связь с ним была утеряна. Оппортьюнити до сих пор стабильно работает, и в данный момент проводит изучение кратера Индевор.

Curiosity

Curiosity – Марсоход нового поколения, по размерам который в несколько раз больше и тяжелея аппаратов-близнецов «Спирит» и «Оппортьюнити». Его запуск планируется провести в четвертом квартале 2011 года. Его основной целью, как в принципе и целью предыдущих марсоходов, будет являться установить, была ли когда-нибудь жизнь на Марсе или нет, а также провести подготовку к высадке человека на Марс.

Технические характеристики:

Масса – 900 килограмм
Длина – 3 метра
Ширина – 2,7 метра
Высота – 2,1 метра
Максимальная скорость – 90 метров в час
Диаметр колёс – 0,5 метра

Оборудование:

Нейтронный детектор
Инфракрасный лазер
«Рука», длиной примерно 1,8 метра, схожая по строению с рукой человека. На руке также установлены небольшой бур и лопатка, с помощью которой робот сможет собирать образцы во внутрь себя, после чего более подробно их исследовать.
Несколько телекамер
Навигационная система
Спектрометр альфа-излучения
Антенна для передачи данных на Землю
Рентгенофлуоресцентный анализатор
Рентгеноструктурный анализатор
Детектор радиационной оценки

В данной модели аппарата планируют использовать уже зарекомендовавшую себя с хорошей стороны систему передвижения, состоящей из шести колёс, каждое из которых работает от своего собственного электродвигателя, а передние и задние колёса будут ещё и вращаться вокруг собственной оси, что позволит роботу разворачиваться «на одном месте».

Телекамеры будут установлены практически на высоте глаз человека. Разрешение этих камер составит 1600х1200 пикселей «Мозгом» всей этой аппаратуры будет процессор с тактовой частотой 200 мегагерц. Этого вполне хватит для такого робота. Питаться робот будет не от солнечной батареи, как в более ранних моделях, а от радиоизотопного термоэлектрического генератора, способного сгенерировать энергию 2,5 киловатт-часов в день. РИТЭГ будет способен обеспечить марсоход Curiosity энергией на 14 лет.

Роботы-аватары

Роботы-аватары – это роботы, полностью копирующие людей, и способные в точности повторять движения человека, находящемся в специальном костюме. Смысл в том, что человек, например какой-нибудь ученый, надевает специальный костюм, после чего робот начинает повторять все движения головы, ног, рук и даже пальцев. Нужно это по нескольким причинам:

Во-первых – это гораздо упрощенная конструкция кораблей, которые будут посылать аватара в космос, так как не надо встраивать в корабль систему жизнеобеспечения, роботу этого не нужно.
Во-вторых – робота не нужно забирать обратно с луны, чего нельзя сказать про космонавта. То есть корабль рассчитывается только на полёт в один конец.
В-третьих – робот может работать в более жестких условиях, чем человек.
В-четвертых – костюм, управляющий роботом, может надеть любой человек, например, с начала его может надеть ученый, исследуя то, что ему нужно, потом его может надеть инженер, для того чтобы что-либо починить (например, деталь в самом роботе, вышедшую из строя) и так далее…

Но у робота есть один неоспоримый минус – задержка в сигнале, посылаемом от костюма к роботу, и от видеокамеры робота на Землю, будет очень велика. Если для Луны эта задержка составит около 3 секунд, то для Марса эта задержка будет во много раз больше, что уже значительно осложнит управление этим роботом. Так что в ближайшее время их можно будет использовать только вблизи Земли, например на Луне или на космических станциях.

Источники

Роботы в космосе
Освоение космоса
Песков Д. Роботы для освоения космоса