神十七將開展中國(guó)航天史上首次空間站艙外維修！太空“維修工”，如何煉成？

10月26日，神舟十七號(hào)載人飛船運(yùn)送3名航天員入駐“天宮”。除了進(jìn)行空間站組合體平臺(tái)照料、在軌實(shí)（試）驗(yàn)、開展科普及公益活動(dòng)等常態(tài)化工作外，他們還將出艙修復(fù)因空間微小顆粒撞擊造成的空間站太陽(yáng)翼輕微損傷，完成中國(guó)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)，完成任務(wù)？

太空探索呼喚“維修工”

在人類探索宇宙的過(guò)程中，各種意想不到的問(wèn)題時(shí)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(chǎng)保護(hù)，航天器的電子器件可能會(huì)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(huì)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(dòng)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(jué)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(shí)，就需要航天人具備強(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(duì)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(lái)說(shuō)，維修對(duì)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，能否保障正常的任務(wù)進(jìn)度。對(duì)于載人航天器來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(guó)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(cè)器修復(fù)、國(guó)際空間站漏氣孔封堵等任務(wù)。未來(lái)，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(guó)航天任務(wù)及未來(lái)規(guī)劃，太空維修工作可以分為有人和無(wú)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(dòng)可以對(duì)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)?？紤]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(shí)，也極大地限制了航天員的觀察視野、活動(dòng)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(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單地說(shuō)，航天員參與的太空維修工作面臨著至少3個(gè)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(lái)完成任務(wù)。

其次，太空維修環(huán)境充斥著來(lái)自不同方向的高輻射能量，不僅會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(dòng)中，航天員在出艙作業(yè)時(shí)萬(wàn)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(duì)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，航天人逐漸將目光瞄向了無(wú)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(shí)化解故障險(xiǎn)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(jì)中對(duì)維修工作的準(zhǔn)備不多，缺乏所謂“基準(zhǔn)標(biāo)記”，又沒(méi)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(duì)移動(dòng)的衛(wèi)星等航天器進(jìn)行視覺(jué)定位，更難以實(shí)施有效抓握和固定。也就是說(shuō)，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(jià)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(shí)間延遲仍然難以忽略。對(duì)于在地球同步軌道上運(yùn)行的太空機(jī)器人來(lái)說(shuō)，漫長(zhǎng)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(xiǎn)情。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，這無(wú)疑降低了太空機(jī)器人的可靠性，增大了任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

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(jià)比和人員安全性都有望顯著提升。

自動(dòng)化技術(shù)通過(guò)使用自動(dòng)化工具，有望輔助或替代完成相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)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(guò)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(dòng)作，或者作為航天員和大型構(gòu)件的支撐平臺(tái)，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(shí)，太空維修必須在非常短的時(shí)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(shí)進(jìn)行維修、替換，大大減少等待時(shí)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(shí)機(jī)延誤的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)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(wú)疑會(huì)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(shí)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(shí)通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行遙操作，輔助航天員完成險(xiǎn)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(shí)儲(chǔ)備成本。

陸地模擬技術(shù)通過(guò)搭建近似太空?qǐng)鼍?，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(huì)進(jìn)行多個(gè)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(wèn)題，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)交流與協(xié)調(diào)適應(yīng)性訓(xùn)練，無(wú)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(lái)太空維修將朝著更加高效、安全和自動(dòng)化的方向發(fā)展。廣大航天科研人員將推動(dòng)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。（作者：李若鵬 部分圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局 把關(guān)專家：中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）