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天基机器人

时间:2019-09-28    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

天基机器人


1.新高地

在作战中致胜的关键步骤是占领“高地”,从这种俯瞰的位置更容易监

视敌人,也更容易打击敌人。在现代战争中,占据高地就意味着控制太空,

因此,通信、导航、照相侦察、电子侦察、信号、侦察以及战略武器系统都

在很大程度上取决于太空作战。在今后一二十年内战争的焦点是控制这个“高

地”,各国都将发展极为有效的军用空间站和天基武器系统,而机器人技术

正是产生这些非常完善的系统的要素之一。人们在和平时期将不断向太空进

军,然而,核抽运 X 射线激光器、电磁轨道炮和带电粒子束所构成的作战环

境将极大地危害人们的生命。因射线、波束和粒子束释放而造成的泄露,将

对太空平台上的人员造成伤害,机器人太空平台是太空武器的唯一的选择。

在目前所有环绕地球飞行的系统中,至少有四分之三具有军事用途,其

中绝大部分是无人的。军用卫星对战略和战术行动都是必不可少的,天基机

器人是国防机构越来越依赖的耳目。

2.空间站及其机器人

即使是有人空间站计划也需要大量的机器人和自动化装置。建造空间站

对国家安全至关重要,同时也能为民用事业服务。前苏联拥有永久性空间站,

“联盟”号宇宙飞船在地球和“礼炮”空间站之间运送宇航员和给养;美国

的空间站计划涉及的范围更广,它的航天飞机能运送研究器材和宇航员。未

来的空间站可作为太空武器平台和特种天基部队(人或机器人)的基地,可

对抗敌方的卫星、空间站、空间战略防御网及任何地面目标。


美国国家宇航局在 1984 年的一项研究中评估了可能采用的空间站的设

计和构想,认为空间站和载人计划一般要包括先进的自动化、机器人和人工

智能技术的广泛使用。其中某些技术目前已能够为空间站所采用,但大量引

入则还需要在机器人技术的开发和完善方面投入不少经费。

美国国家宇航局分析了机器人和自动化技术带来的最明显的好处。看

来,宇航员将更多地作为利用空间站的管理者,而较少作为担负一般职能的

操作者。专家系统和先进的机器智能的采用足以使站上人员不依赖地面控制

台即可识别、判定、维修和排除不正常状态,因此,宇航员们可获得较大的

自主性。

机器人运载工具和系统将减少人员在危险场合的工作,比如飞行器外的

活动(即空间站外),包括加注燃料的作业和在很高的同步轨道上进行与卫

星有关的操作。机器人能够承受特殊的有害辐射。

使用机器人空间站对商业和工业应用具有更强的通用性和适应性。无人

系统的使用可使生产效率提高,成本降低。伴随着空间机器人和自动化技术

的进展,将会带来经济利益;空间领域的机器人技术同样适用于地球上的危

险性场合,如大洋深处、核电站以及战场。

(1)进行空间机器人应用研究的公司

在一项评估机器人和先进的自动化系统如何最有效地应用于空间站的研究

项目中,美国国家宇航局与数家航空公司签订了具体应用领域的研究合同。波音

公司试制了一种人机接口,并认为到 90 年代中期开发一种初级的舱外机器人系

统在技术上是可行的,到 2010 年可望研制出更复杂的舱外机器人。使用这种比

人稍大的机器人将减少宇航员的常规和危险工作,增加在空间站周围的舱外活

动。

砷化镓晶体和微电子-芯片制造厂商的初步工作具体体现在通用电气公

司生产的自动化机械中,该公司发现,为太空实验室制造的机器人和遥控装

置需要采用比目前地球上的设备轻得多的材料,以符合微重力环境运动学和

动力学,所以首先要研制可进行维护、修理和设备更新的“智能”工具。

休斯公司研究了分系统控制和任务操作的自动化,重点研究宇航员的操

作。考虑到电源、热控制和通信问题,休斯公司提出应当把自动语音识别及

合成与人机接口结合在一起,实现对空间站的指挥与控制。采用自动化装置

能够检测和隔离空间站的故障,并作出相应的修复动作。

马丁・马丽埃公司研究了 2000 年的空间站在装配、结构、维修和调整方

面的自动化。他们认为自动化技术将迅速发展,并告诫人们,空间站的设计

必须适应这种发展。比如进出路径、舱内通道和工作现场的“休息处”应当

有足够的空间,还要考虑扩展已有控制设备功能的支援设施。马丁・马丽埃

塔公司预言,太空基地在初期需要投入大量人员,但最终需要人来做的只有

管理和处理意外事件等工作。

TRW 公司致力于研究空间站的卫星自动管理,包括支援低地球轨道卫星

和轨道信息处理设备、装载有效载荷,并由可回收的轨道运载器管理地球同

步卫星。TRW 公司认为,卫星的管理要求加速采用遥控设备,但仍然需要由

人员处理各种各样意想不到的事情。

(2)美国国家宇航局的机器人运载器

①宇宙拖船

国家宇航局的近期计划中包括在空间采用几种机器人运载器和系统。轨


道机动运载器(OMV)通常称为宇宙拖船,是一种遥控飞行器,用于增大航天

飞机的作用范围。它先由航天飞机运载到高空,然后被发射到 2254 公里以

外,在很高的轨道回收卫星。这些卫星由航天飞机上的人员维护或送回地球

修理。然后,轨道机动运载器可以把它们重新置于原来的位置上。美国国防

部证实,这样一来,由于延长了卫星的使用寿命,可节省大量费用。

这种机器人运载器由地面站的人员通过手动控制器操纵。LTV、马丁・马

丽埃塔和 TRW 公司都参与了这项合同的竞争,而国家宇航局在 1986 年 7 月将

它包给了 TRW 公司。国家宇航局希望在 90 年代完成该项工作。这种宇宙拖船

还将与空间站一起清除太空垃圾并完成各种建站工作。

②轨道运载器(OTV)

另一种试验性的无人运载器是轨道运载器。设想将它作为一种高空平

台,能够在离地球 35900 公里的高空进入同步轨道,运送有效载荷。之后,

它能够自己返回,以便再次使用。国家宇航局设想使轨道运载器既能停留在

太空,又能往返飞往于地球与太空之间。美国国防部和国家宇航局对一种名

为“达特”(DART)的系统十分感兴趣,它还在由匹兹堡的太空技术国际公

司进行研制。该公司估计,这种重复使用型轨道运载器的全部研制过程,从

正式拨款之日起将需要约 30 个月。该公司采取项目管理,选择麦克唐纳・道

格拉斯公司作为系统研制的主要承包商。美国空军与波音航空公司签订了一

项合同,建造另一种类型的轨道运载器,即惯性高空平台(IUS)助推器,它

可把卫星从宇宙飞船所运达的轨道上进一步推送到地球同步轨道上。不过,

这种惯性高空平台不能重复使用。

③遥控维护单元(TSU)

有一种类似于国家宇航局有人航天器的运载器,只是不搭载宇航员,这

就是遥控维护单元,它能像人那样在空间进行维护操作。它是由麻省理工学

院与国家宇航局共同设计的一种方形运载器,其前部有两只大型机械手,侧

面有两只较小的手臂,在这些手臂的下面装有工具架和备件。遥控维护单元

依靠宇宙拖船作为工作站之间的交通工具,为电池充电,还能储存较大型的

部件。

④机械手

美国国家宇航局计划为空间站安装几处类似于宇宙飞船上安装的机器人

手臂。这些机械手与活动架相连,能够伸到空间站的任何部位,为空间站的

构建和站上工作提供帮助。这种机械手可以装在一个架子上,从而在空间站

的主体部分往来运行,或利用末端操纵装置在站上移动。像在宇宙飞船的研

制上一样,加拿大在空间站机械手的研制方面发挥着重要作用。在综合和测

试方面的工作包括:安装带有触觉和视觉传感器的操纵装置,提供较高程度

的自 主能力,提高灵巧性,对有效载荷进行维护。像拧卸螺丝之类乏味而琐

碎的工作,将由遥控装置完成,使宇航员得以执行管理和监控者的职能。设

在加拿大安大略省的斯帕尔宇航有限公司遥控系统分部是该项目的主要承包

者,他们预计机器人综合维护和测试技术将在下个世纪的宇宙拖船、轨道运

载器及空间站上推广。

(3)军事应用方面的研究

1986 年 2 月,美国空军系统司令部公布了《工程发展纲要(Ⅱ)》的草

案,旨在确认和采用新兴的技术和系统,提高美空军 21 世纪的作战能力。与

许多远期军事计划不同,美空军已经准备在 6 年内使这方面的投资占空军全


部科学和技术预算的 10%。用在发展《工程发展纲要(Ⅱ)》所提出的技术

和系统上的费用约 20 亿美元,其中以对机器人技术的研究为重点,包括遥控

机器人如何承担原来由宇航员承担的任务,减小人员在空间飞行对抗中的危

险。美空军对遥控器尤其感兴趣,这种遥控器并不是一个智囊,而是一个视

觉和臂力都很强的操作系统,这种遥控系统的空间应用是在同步轨道空间站

上维修卫星,不久的将来它还将在月球上工作。

机器人完成繁重而单调工作的能力会比人高十倍甚至百倍,原来由操作

人员在大型线路控制板上进行的工作,现在由机器人在微集成电路片上就能

完成。除空间应用以外,空军也认为拟人的遥控器在飞机维修和在核生化条

件下补充给养方面也有应用价值。

设在加利福尼亚州圣地亚哥的美国海军海洋系统中心已在着手一项拟人

系统的研制工作,这一系统将用于空间和其他危险场合。在该系统中操作员

接收来自各种传感器的信息,犹如身临其境。这种遥控包括一个液压驱动的

“头”,有三个摆动角度,装在同样具有三个摆动角度的“躯干”上。除此

之外,还有两只类似于手臂的操作装置,有七个转动角度。由两部电视摄像

机和两路听觉系统为操作员提供远距离视觉和听觉。操作员的动作控制遥控

器的动作,操作员的头、身体和手臂的位置经电位计监视和记录后,将信号

传给遥控器,再由遥控器相应地控制机器人的身体和机械手。

3.战略防御机器人

人们在 20 世纪初的作品中曾幻想火箭飞船飞越太空,地球人与外星人展

开搏斗,双方使用致命的“死亡射线”相互交战。这种幻想导致了德国人的

“齐柏林”飞艇的出现。儿童影片中也出现了不少像巴克・罗杰斯和弗拉什・戈

登那样的英雄,在这种影片影响下充满幻想的孩子们如今已成为科学家、军

事首脑甚至国家总统,他们正在将这些梦想变为现实。当 20 世纪接近尾声的

时候,人类已进入“星球大战”的时代,然而与人们熟知的乔治・卢卡斯的

影片不同,发射激光和带电粒子束的宇宙飞船将无需搭乘人员,无生命、无

情感,人类有史以来的具有最强计算机处理能力的机器人将成为选择目标和

攻击目标的主宰。

(1)“战略防御倡议”

1983 年 3 月,里根总统发表政策演说时提出一项计划,其核心是要拦截

并击毁核武器——战略弹道导弹。美国弹道导弹防御的全部研究计划是在独

立的战略防御司令部的领导下实施的。

美国“战略防御倡议”计划包括一整套共三个层次的防御系统。来袭的

大部分洲际弹道导弹将在发射后不久被击毁。在火箭助推器从发射到燃料耗

尽的 3~5 分钟的助推阶段中,导弹目标明显,易受攻击。那些突防的导弹将

在弹道中段受到第二次攻击,此时弹道导弹在被击毁前已进入太空,这个阶

段最长不超过 20 分钟。最后残存下来的弹头将在再入大气层时受到陆基反弹

道导弹系统的攻击,这个最后阶段所剩的时间不足 1 分钟。在导弹爬升阶段

的弹道中段,机器人天基武器网将是主要的防御系统。

目前,这些系统尚处在概念阶段,不过人们已经提出了各种配置上的设

想。“星球大战”计划设想了一种有 50 个空间作战平台的系统,用于在前苏

联导弹来袭时保护整个美国。每个空间作战平台有一个极为先进的计算机系

统,能够对数枚导弹进行探测、识别、跟踪,并以强激光束对准导弹,迅速

依次击毁。在陆基指挥中心设置一台控制每个作战平台的中央计算机,预警


卫星能够在导弹刚一发射时就探测到它们,并将信息转发到指挥中心,指挥

中心发出指令启动空间作战平台。

① 激光和带电粒子束

目前有好几种激光器正在研制,拟用于作战平台,它主要包括化学和 X 射线

激光器。化学激光器是通过两种气体混合反应而获得能量,如氢/氟、氧/磺及

氚/氟。战略防御计划的设想之一是研制一种 2 兆瓦氢-氟激光器,以验证建造

一部 25 兆瓦天基激光器的可行性。X 射线激光器或许是最有争义的战略防御项

目,它是在一个小当量核爆炸源周围放置达 50 个激光棒。用这些激光棒对准各

个来袭导弹,引爆核弹头后,它们便辐射强烈的 X 射线脉冲。X 射线能够毁坏导

弹的电子器件,并产生足以击毁导弹外壳的冲击波。

因受激准分子和自由电子激光器体积太大,在天基平台上要消耗太多的

功率,所以另一种防御系统理论则设想采用装有巨型反射镜的天基运载器,

以直径 4 米的反射镜将陆基自由电子和受激准分子激光器的波束折射到目标

上。

“战略防御倡仪”计划包括研究带电粒子束的应用。粒子束如同一道可

控制的闪电,它是通过粒子加速器中的电场将亚原子粒子加速到接近光速而

形成的波束。产生这种波束的加速器必须相当轻,才能装配在太空平台上。

带电粒子束的波束,在远距离传播时,由于地球磁场的作用会发生弯曲,在

地球低轨道上使用这种波束时可用激光在稀薄的近空间层面上穿一个可使波

束通过的孔来发射粒子束,假若带电的气体离子具有静电复原能力,那就能

抵消地球磁场力的作用。

②动能装置

摧毁目标的传统的方法是一个比目标飞得更快的弹头打击它,而动能天

基武器将以运动物体本身的动能撞击来摧毁导弹,这就是电磁轨道炮。电磁

轨道炮是一种动能发射装置,它有很强的电流,若干个放大器和两条平行的

轨道,弹丸沿着轨道推出。试验型轨道炮能够将 25 克的颗粒物加速到 8.6

公里/秒,并能击穿 0.5 厘米厚的钢板,对重 300 克的弹丸能加速到 4. 2

公里/秒。科学家们相信,在发射速率为 60 发/秒时,弹丸速度可以提高到

100 公里/秒。战略防御机构正在研制一种采用带电粒子束的轨道炮,并准

备将它用于对付苏联的反卫星武器系统。

电磁轨道炮还能发射较重的弹丸,这种弹丸带有自己的制导装置。“高

边疆”理论提出了一种由 400 个天基机器人平台组成的防御网,每个平台装

备 50 个拦截器,这种拦截器包括自身带有动力装置的微型寻的器。一位美空

军军官估计,一个有效的反卫星系统可能需要多达 3200 个置于 40 个不同轨

道上的由火箭运载的作战平台,并需要由星载雷达和其他传感器支援这些作

战平台。

(2)“战略防御倡仪”计划的规模及构成

在美国,对把金钱花在天基机器人运载器的研究与开发上的做法并没有

引起什么争论,因为起码有一点是人所共识的,那就是这样做至少可以保证

在技术上处于世界领先地位。真正引起争论是这项计划的规模到底应该有多

大,它是否能保护所有美国人,并使核武器像里根总统预想的那样失去作用,

抑或仅仅用于保护美国战略力量中易受攻击的部分,如洲际弹道导弹发射井

和指挥、控制节点。重点防御与整个国土防御相比在经济上要节省得多,在

技术上也更容易实现。对易损的战略力量进行重点防御,将具有更为可靠的


报复性威慑和遏制战争的作用,但这一观点也迎合了把各国人民作为人质的

“相互确保摧毁”的理论,因而遭到了不少战略防御计划支持者的反对。1986

年 6 月 18 日,美国参议院武装力量委员会通过的一项决议指出,战略防御计

划应继续进行有关人员防护能力方面的研究,不过重点将放在研究保护二次

打击力量及其指挥与通信系统的可生存和低造价的防御方案上。当时的国防

部长温伯格不赞成这个决议,他认为国防部的方针应是保护人员而不是导

弹。他指出,战略防御计划成功的关键是在前苏联导弹反射后能及时予以攻

击,因为防御力量无法分辨对方发射的导弹是打击社会财富的还是打击武装

力量的。不过,温伯格表示,已研制成功的武器样机对接近己方导弹发射井

的末段防御,即当弹头再入大气层时的防御是有效的,因此参议院委员会也

能接受这一方案。总之,政治上的考虑、技术上的进展、经济状况以及武器

控制谈判都将决定战略防御计划的发展。

(3)穿越大气层的飞行器

在经历了“挑战者”号航天飞机爆炸的悲剧之后,里根总统在 1986 年度

国情咨文中重申了美国政府的空间计划,并宣布了一项志在必夺的航天器研

制方案,称作穿越大气层飞行器(TAV),或太空飞机。这种飞行器能够穿过

大气层,在地球与太空之间往返飞行,飞行速度大于 5 马赫。它具有军事和

民防双重用途。它的基本军事用途像军方熟知的 X-30 一样是把战略防御载荷

发射到太空中去,预料,它与航天飞机相比,运载量将大得多,而造价却较

低。据美国国防高级研究计划局局长 C・邓肯说,美国已在考虑将穿越大气

层飞行器作为一种远程防空拦截器,用于攻击来袭的弹道导弹。

尽管这种飞行器基本上仍是一种载人系统,但在其设计中将引入大量的

自动化和机器人技术。无人运载器的倡导者们主张通过遥控或人工控制使穿

越大气飞行器具备自主飞行能力。

英国国家空间局也开始了类似于穿越大气层飞行器的研究,定名为水平

起落(HOTOL)飞行器。英国宇航公司和罗尔斯・罗伊斯公司正在进行这种飞

行器主体的原理性和可行性研究。目前的重点是将不载人的水平起落飞行器

用在军用和商用卫星方面。

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