机器人航天器

机器人航天器(Robotic spacecraft)是一种无人驾驶航天器,通常在遥控机器人控制下。 设计用于进行科学研究测量的机器人航天器通常被称为太空探测器。 由于成本较低且风险因素较低,许多太空任务更适合遥控操作而非人工操作。 此外,根据目前的技术,一些行星目的地,如金星或木星附近,对人类的生存过于敌视。 像土星,天王星和海王星这样的外行星太遥远,无法通过目前的载人航天技术到达,因此远程机器人探测器是探索它们的唯一方法。

许多人造卫星都是机器人太空船,许多着陆器和探测器也是如此。

历史
第一个机器人太空船是由苏联(苏联)于1951年7月22日发射的,这是一架载有两只狗Dezik和Tsygan的亚轨道飞行。 其他四次这样的飞行是在1951年秋天完成的。

1957年10月4日,第一颗人造卫星Sputnik 1由苏联投入215×939公里(116×507 nmi)地球轨道。1957年11月3日,苏联绕轨道飞行员2号轨道重达113公斤(249磅),Sputnik 2携带第一只活体动物进入轨道,狗Laika。 由于卫星不是为了从其运载火箭的上层分离而设计​​的,因此轨道上的总质量为508.3千克(1,121磅)。

在与苏联的密切竞争中,美国于1958年1月31日将其第一颗人造卫星探测器1发射到193乘1,373海里(357乘2,543公里)轨道。探测器I为80.75英寸直径为6.00英寸(15.2厘米),重量为30.8磅(14.0千克)的圆柱体(205.1厘米),与Sputnik 1相比,一个58厘米(23英寸)的球体,重83.6千克(184磅)。 Explorer 1携带的传感器确认了Van Allen皮带的存在,这是当时的一项重大科学发现,而Sputnik 1没有携带任何科学传感器。 1958年3月17日,美国绕第二颗卫星Vanguard 1飞行,大约相当于葡萄柚的大小,并且截至2016年仍保持在360×2,080海里(670乘3,850公里)的轨道上。

其他九个国家使用自己的运载火箭成功发射了卫星:法国(1965年),日本和中国(1970年),英国(1971年),印度(1980年),以色列(1988年),伊朗(2009年),朝鲜( 2012年)和新西兰(2018年)。

设计
在航天器设计中,美国空军认为车辆由任务有效载荷和公共汽车(或平台)组成。 总线提供物理结构,热控制,电力,姿态控制和遥测,跟踪和指挥。

JPL将航天器的“飞行系统”划分为子系统。 这些包括:

结构体
这是物理骨干结构。 它:

提供航天器的整体机械完整性
确保航天器部件得到支撑并能承受发射载荷

数据处理
这有时称为命令和数据子系统。 它通常负责:

命令序列存储
保持航天器时钟
收集和报告航天器遥测数据(例如航天器健康)
收集和报告任务数据(例如摄影图像)

态度决定和控制
尽管存在外部干扰 – 重力梯度效应,磁场扭矩,太阳辐射和气动阻力,该系统主要负责正确的航天器在空间(姿态)方向的定位; 此外,可能需要重新定位可移动部件,例如天线和太阳能电池阵列。

降落在危险的地形上
在涉及机器人航天器的行星探测任务中,在降落在地球表面的过程中有三个关键部分,以确保安全和成功着陆。 这个过程包括进入行星引力场和大气层,通过大气层向着科学价值的预定/目标区域下降,并保证安全着陆,保证飞船仪表的完整性。 虽然机器人航天器正在经过这些部件,但它必须能够估计其与地面相比的位置,以确保对其自身的可靠控制及其良好操纵的能力。 机器人航天器还必须实时有效地执行危险评估和轨迹调整,以避免危险。 为实现这一目标,机器人航天器需要准确了解航天器相对于地面的位置(定位),可能造成地形危险(危险评估)以及航天器目前应该前进的位置(避免危险)。 如果没有本地化,危险评估和避免操作的能力,机器人航天器就变得不安全并且可以容易地进入危险情况,例如表面碰撞,不期望的燃料消耗水平和/或不安全的机动。

进入,下降和着陆
集成传感结合了图像变换算法,用于解释即时图像地面数据,执行实时检测并避免可能妨碍安全着陆的地形危险,并使用标志性定位技术提高在所需感兴趣位置着陆的准确性。 集成传感通过依靠预先记录的信息和相机来完成这些任务,以了解其位置并确定其位置以及是否正确或需要进行任何校正(本地化)。 这些摄像机还用于检测任何可能的危险,无论是增加燃料消耗还是物理危险,例如火山口或悬崖侧的不良着陆点会使着陆非常不理想(危险评估)。

电信
电信子系统中的组件包括无线电天线,发射器和接收器。 这些可用于与地球上的地面站或与其他航天器通信。

电源
航天器上的电力供应通常来自光伏(太阳能)电池或放射性同位素热电发电机。 子系统的其他组件包括用于存储电力的电池和将组件连接到电源的分配电路。

温度控制和环境保护
航天器通常受到绝缘的温度波动保护。 一些航天器使用镜子和遮阳板来进一步防止太阳能加热。 他们还经常需要屏蔽微流星体和轨道碎片。

动力
航天器推进是一种允许航天器通过产生推力向前推进空间的方法。 然而,没有一种普遍使用的推进系统:单组元推进剂,双组元推进剂,离子推进器等。每个推进系统以略微不同的方式产生推力,每个系统都有其自身的优点和缺点。 但是,今天大多数航天器的推进都是基于火箭发动机。 火箭发动机背后的一般思想是,当氧化剂遇到燃料源时,能量和热量会以高速爆炸释放,从而推动航天器向前发展。 这是因为一个基本原理被称为牛顿第三定律。 根据牛顿的说法,“每次行动都会产生相同而相反的反应。”随着能量和热量从航天器背面释放出来,气体粒子被推动,使航天器向前推进。 今天使用火箭发动机背后的主要原因是因为火箭是最强大的推进形式。

推进剂
为了使推进系统工作,通常总是有氧化剂管线和燃料管线。 这样,航天器的推进就受到了控制。 但在单组元推进剂推进中,不需要氧化剂管线,只需要燃料管线。 这是因为氧化剂化学键合到燃料分子本身。 但是对于要控制的推进系统,燃料的燃烧只能由于催化剂的存在而发生。 这是非常有利的,因为火箭发动机更轻,更便宜,易于控制,更可靠。 但是,这种化学品的垮台是制造,储存和运输非常危险。

双组元
双组元推进系统是使用液体推进剂的火箭发动机。 这意味着氧化剂和燃料管线都处于液态。 该系统是独特的,因为它不需要点火系统,两种液体一旦彼此接触就会自发燃烧并产生推进以推动船舶前进。 采用这种技术的主要好处是因为这些液体具有相对高的密度,这使得推进剂罐的体积很小,因此增加了空间效率。 缺点与单组元推进系统的缺点相同:制造,储存和运输非常危险。

离子
离子推进系统是一种通过电子轰击或离子加速产生推力的发动机。 通过将高能电子射向推进剂原子(中性电荷),它可以从推进剂原子中去除电子,从而使推进剂原子成为带正电的原子。 带正电的离子被引导通过带正电的栅格,该栅格包含数千个精确对准的孔,这些孔在高电压下运行。 然后,对齐的带正电荷的离子通过负电荷加速器网格加速,进一步将离子速度提高到90,000英里/小时。 这些带正电离子的动量为推进航天器前进提供了推力。 具有这种推进力的优点在于它在保持恒定速度方面非常有效,这是深空行进所需的。 然而,产生的推力量极低并且需要大量的电力来操作。

机械设备
通常需要在发射之后或着陆之前移动机械部件以进行部署。 除了使用电动机之外,许多一次性运动由烟火装置控制。

机器人与无人太空船
机器人航天器是专门为特定恶劣环境设计的系统。 由于它们针对特定环境的规范,因此其复杂性和功能的差异很大。 虽然无人航天器是没有人员或机组人员的航天器,但是通过自动(在没有人为干预的情况下进行动作)或远程控制(人为干预)来操作。 “无人航天器”一词并不意味着航天器是机器人。

控制
机器人航天器使用遥测技术将无线电回收到地球获取的数据和车辆状态信息。 尽管通常被称为“远程控制”或“远程机器人”,但最早的轨道航天器 – 例如Sputnik 1和Explorer 1 – 并未从地球接收控制信号。 在这些第一艘航天器之后不久,开发了命令系统以允许从地面进行远程控制。 对于远距离探测器而言,增加自主性非常重要,因为远距离探测器的光传播时间阻碍了地球的快速决 较新的探测器如卡西尼 – 惠更斯(Cassini-Huygens)和火星探测器(Mars Exploration Rovers)具有很高的自主性,可以使用机载计算机长时间独立运行。

太空探测器
太空探测器是一种机器人太空船,它不绕地球运行,而是进一步探索外太空。 太空探测器可以接近月球; 穿越行星际空间; 飞越,轨道或其他行星体上的土地; 或进入星际空间。

SpaceX的龙
现代世界中完全机器人航天器的一个例子是SpaceX的Dragon。 SpaceX Dragon是一种机器人太空船,不仅可以将货物运送到地球轨道,还可以运送人类。 SpaceX Dragon的总高度为7.2米(23.6英尺),直径为3.7米(12英尺)。 总发射载荷质量为6,000千克(13,228磅),总回程质量为3,000千克(6,614磅),总发射载荷量为25立方公尺(883立方英尺),总回程载荷量为11米^ 3(388平方英尺)。 龙在地球轨道上的总持续时间是两年。

2012年,SpaceX Dragon成为第一个将货物运送到国际空间站并在同一行程中安全返回地球的商用机器人航天器。 龙所做的这一壮举只是以前由政府实现的。 目前,Dragon的目的是为了转移货物,因为它能够将大量货物返回地球,尽管它最初设计用于携带人类。

太空探测器是一项科学的太空探索任务,其中宇宙飞船离开地球并探索太空。 它可能接近月球,进入星际,飞行或轨道其他物体,或接近星际空间。

机器人航天器服务车辆
MDA空间基础设施服务车辆 – 用于地球同步轨道中通信卫星的空间加油站和服务航天器。 计划于2015年启动。[需要更新]
任务扩展车辆是一种不使用空间RCS燃料转移的替代方法。 相反,它将以与MDA SIS相同的方式连接到目标卫星,然后使用“其自己的推进器为目标提供姿态控制”。