月球門戶空間站是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在這個(gè)十年內(nèi)再次將宇航員送上月球計(jì)劃的重要組成部分，這將是人類在近地軌道之外的首個(gè)永久性前哨站。該項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)家航空航天局、加拿大太空總署（CSA）、歐洲太空總署和日本宇航局合作建設(shè)，目的是支持月球表面的作業(yè)，同時(shí)還將作為火星探索的補(bǔ)給站。月球門戶空間站將會(huì)比國(guó)際空間站（ISS）小得多，最初將只包括兩個(gè)艙，隨著時(shí)間的推移會(huì)增加更多艙。該空間站的首批組件將是帶有居住和后勤前哨站（HALO）的動(dòng)力和推進(jìn)元件（PPE），計(jì)劃于2024年11月與太空探索技術(shù)公司的獵鷹重型火箭一起發(fā)射。

 

　　月球門戶空間站相對(duì)較小可能是因?yàn)檎緝?nèi)大多數(shù)時(shí)間不會(huì)有人，雖然宇航員可能會(huì)在站內(nèi)停留幾周，但預(yù)計(jì)月球門戶空間站一年內(nèi)大約有11個(gè)月不會(huì)有人。這是對(duì)月球門戶空間站的獨(dú)特挑戰(zhàn)。

 

　　在國(guó)際空間站上，宇航員會(huì)花大量時(shí)間對(duì)空間站進(jìn)行保養(yǎng)，但門戶空間站必須在沒(méi)有人直接協(xié)助的情況下，長(zhǎng)時(shí)間維持自身的功能。

 

　　美國(guó)國(guó)家航空航天局約翰遜航天中心的月球門戶空間站自主系統(tǒng)經(jīng)理朱莉亞•巴杰（JuliaBadger）解釋說(shuō)：“月球門戶空間站需要自己完成宇航員在國(guó)際空間站上所做的工作。此外，其運(yùn)行模式也有很大不同。目前，國(guó)際空間站的任務(wù)控制是全天候的，而我們最終希望月球門戶空間站的地面遙控操作時(shí)間為一周只有8個(gè)小時(shí)。”國(guó)際空間站每天要接收數(shù)百個(gè)命令以維持其運(yùn)行，這對(duì)月球門戶空間站來(lái)說(shuō)也是必要的，但這些命令將來(lái)月球自門戶空間站自身，而不是來(lái)自地球上的人類。

 

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國(guó)國(guó)家航空航天局正在開發(fā)一種運(yùn)載系統(tǒng)管理器（VSM），這在某種程度上很像科幻宇宙飛船中無(wú)處不在的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。運(yùn)載系統(tǒng)管理器將自主管理月球門戶空間站的所有功能，使用智能軟件和偶爾來(lái)自遠(yuǎn)方的人類的輸入信息，處理所有可以管理的問(wèn)題。“與國(guó)際空間站相比，這是一種新的思維方式。”巴杰說(shuō)，“如果月球門戶空間站出現(xiàn)問(wèn)題，我們要么能與其共存一段時(shí)間，要么具備遠(yuǎn)程或自主修復(fù)的能力。”

 

　　雖然月球門戶空間站本身可被視為機(jī)器人，但通過(guò)專用自動(dòng)系統(tǒng)可以合理有效完成的工作是有限的。美國(guó)國(guó)家航空航天局必須在冗余與復(fù)雜性和質(zhì)量之間進(jìn)行平衡。例如，對(duì)于月球門戶空間站的艙口是否應(yīng)該能自行打開或關(guān)閉，進(jìn)行了多方討論，最終美國(guó)國(guó)家航空航天局決定其艙門需要手動(dòng)操作。但這并不一定意味著月球門戶空間站在沒(méi)有人協(xié)助的情況下無(wú)法打開艙門；這只表示艙門需要機(jī)械臂進(jìn)行操作，而非人工手動(dòng)操作。

 

　　“我最終希望能有機(jī)器人可以打開艙門。”巴杰說(shuō)。她解釋道，門戶空間站的設(shè)計(jì)考慮了潛在的艙內(nèi)機(jī)器人（IVR），包括增加重要地點(diǎn)的視覺(jué)標(biāo)識(shí)、在空間站內(nèi)部周圍放置便捷的充電端口，考慮打開艙門所需的力量與機(jī)械臂的能力相符。門戶空間站系統(tǒng)的部件可能是模塊化的；在需要的時(shí)候，機(jī)器人可以移除或更換這些模塊。巴杰說(shuō)：“在月球門戶空間站的設(shè)計(jì)中，我們正在嘗試做出明智的決策，不增加太多的質(zhì)量，但便于機(jī)器人在空間站內(nèi)工作。”

 

　　美國(guó)國(guó)家航空航天局已經(jīng)積累了豐富的艙內(nèi)機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)。從2011年起，全尺寸人形機(jī)器人Robonaut2已經(jīng)在國(guó)際空間站上度過(guò)了多年，學(xué)習(xí)執(zhí)行本應(yīng)由人類宇航員完成的任務(wù)。最近，一組3個(gè)可自由飛行的立方體機(jī)器人Astrobee在國(guó)際空間站上定居了下來(lái)，進(jìn)行自主感知和導(dǎo)航試驗(yàn)。目前，美國(guó)國(guó)家航空航天局的自適應(yīng)自主看管綜合系統(tǒng)（ISAAC）項(xiàng)目正在探索如何將類似Astrobee的機(jī)器人應(yīng)用到月球門戶空間站的各項(xiàng)任務(wù)中，包括監(jiān)測(cè)空間站的運(yùn)行狀況以及自主移動(dòng)貨物等任務(wù)。但在短期內(nèi)，巴杰認(rèn)為：“維護(hù)月球門戶空間站，例如使用機(jī)器人斷開損壞的部件，將比后勤任務(wù)更重要。”

 

　　巴杰認(rèn)為，類似Robonaut2的通用可移動(dòng)機(jī)械手和類似Astrobee的自由飛行器的組合是一個(gè)很好的搭配，這種組合符合當(dāng)前月球門戶空間站艙內(nèi)機(jī)器人的總體概念。這并不是說(shuō)最終月球門戶空間站的艙內(nèi)機(jī)器人必須與在國(guó)際空間站上工作的機(jī)器人外形相同，但它們將受國(guó)際空間站上的機(jī)器人啟發(fā)，并充分利用美國(guó)國(guó)家航空航天局目前在國(guó)際空間站上工作的機(jī)器人的所有經(jīng)驗(yàn)。

 

　　巴杰說(shuō)，一定數(shù)量的專用機(jī)器人也許很有用。“例如，如果需要鉆到（設(shè)備）機(jī)架后面，那么你可能想要一個(gè)蛇形機(jī)器人。”

 

　　雖然美國(guó)國(guó)家航空航天局正在積極準(zhǔn)備月球門戶空間站的艙內(nèi)機(jī)器人，但這種機(jī)器人尚未誕生。美國(guó)國(guó)家航空航天局自己不會(huì)制造這種機(jī)器人，要靠行業(yè)合作伙伴提交的符合美國(guó)國(guó)家航空航天局要求的設(shè)計(jì)。在發(fā)射時(shí)，可能至少在最近幾年，月球門戶空間站要在沒(méi)有內(nèi)部機(jī)器人協(xié)助的情況下照料好自己。不過(guò)，門戶空間站的目標(biāo)之一是在與地球沒(méi)有任何聯(lián)系的情況下，完全自主運(yùn)行3周。其目的是模擬地球與火星之間3周的行星聚合，此時(shí)太陽(yáng)會(huì)阻隔兩個(gè)星球之間的所有通信。巴杰說(shuō)：“我認(rèn)為我們應(yīng)該搭載艙內(nèi)機(jī)器人。如果真的想要讓月球門戶空間站自我維護(hù)21天，那么艙內(nèi)機(jī)器人將是其中非常重要的部分。此外，因?yàn)橐剿骰鹦?，我認(rèn)為機(jī)器人是必不可少的。”

 

　　要讓月球門戶空間站長(zhǎng)期自主運(yùn)行，艙內(nèi)機(jī)器人只是機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的一半?？臻g站要依靠復(fù)雜的外部基礎(chǔ)設(shè)施，例如動(dòng)力、推進(jìn)、熱控制等。從2001年以來(lái)，加拿大臂2號(hào)一直駐扎在國(guó)際空間站上，它是一個(gè)17.6米的機(jī)械臂，它能夠在空間站外圍移動(dòng)，在空間站內(nèi)部或地面操作員的控制下抓取和放置物體。

 

　　加拿大太空總署正在與加拿大公司MDA一起為月球門戶空間站開發(fā)新型的機(jī)械臂系統(tǒng)，名為加拿大臂3號(hào)，并計(jì)劃于2026年發(fā)射。加拿大臂3號(hào)將包括一個(gè)8.5米長(zhǎng)的機(jī)械臂，用于抓取航天器和移動(dòng)大型物體，以及一個(gè)靈巧的小型機(jī)械臂，可用于執(zhí)行精密的任務(wù)。小機(jī)械臂在需要的時(shí)候甚至能夠維修大機(jī)械臂。加拿大太空總署月球門戶空間站首席工程師和系統(tǒng)經(jīng)理丹尼爾•雷伊（DanielRey）表示，加拿大臂3號(hào)與其前任的真正區(qū)別在于其控制方式。“加拿大臂3號(hào)最新穎的特點(diǎn)之一是它不需要機(jī)組人員，能夠自主運(yùn)行。”雷伊說(shuō)。它的這種能力依靠的是新一代軟件和硬件，它們賦予了該機(jī)械臂對(duì)刺激做出反應(yīng)的能力。

 

　　盡管月球門戶空間站距離地球的距離是國(guó)際空間站的1000倍，但雷伊解釋說(shuō)，距離增加（約40萬(wàn)公里）并不是加拿大臂3號(hào)增加自主性的必要條件。“出人意料的是，月球門戶空間站在繞月軌道上的位置產(chǎn)生的到地球的信號(hào)延遲，與近地軌道位置信號(hào)經(jīng)過(guò)各種地面站所產(chǎn)生的延遲沒(méi)有什么不同。如果加拿大臂3號(hào)準(zhǔn)備去探索情況不同的火星，那么我們認(rèn)為其需要有更多的自主性。”

 

　　加拿大臂3號(hào)在月球門戶空間站的自主任務(wù)將包括外部檢查、卸載物流運(yùn)載工具、部署科學(xué)荷載，以及用備件更換損壞部件維修門戶空間站。雷伊告訴我們，還將有一個(gè)技術(shù)后勤氣閘艙以及一個(gè)移動(dòng)工作臺(tái)，用于將設(shè)備移入和移出門戶空間站。“有可能在外部部署科學(xué)載荷，或?qū)⑼獠肯到y(tǒng)拿到內(nèi)部來(lái)維修，也可用于實(shí)現(xiàn)未來(lái)內(nèi)部機(jī)器人系統(tǒng)與加拿大臂3號(hào)的協(xié)作。我認(rèn)為這將是一件非常令人激動(dòng)的事。”

 

　　雖然月球門戶空間站的機(jī)器人居民還需要幾年才能到達(dá)，但當(dāng)動(dòng)力和推進(jìn)部件以及居住和后勤前哨站于2024年11月進(jìn)入月球軌道時(shí)，該空間站將（根據(jù)需要）在很大程度上自主運(yùn)行。屆時(shí)搭載的還有幾項(xiàng)科學(xué)載荷，包括太陽(yáng)物理學(xué)和空間氣象實(shí)驗(yàn)。

 

　　不過(guò)，月球門戶空間站本身就可以說(shuō)是最重要的實(shí)驗(yàn)。其自主系統(tǒng)無(wú)論是否體現(xiàn)在內(nèi)部或外部機(jī)器人，在確信其技術(shù)足以進(jìn)行深空旅行之前，都將經(jīng)過(guò)連續(xù)的測(cè)試。除了要在沒(méi)有通信的情況下運(yùn)行21天，月球門戶空間站的最終要求之一是能夠在沒(méi)有航天員到訪的情況下，正常運(yùn)行3年。要準(zhǔn)備探索火星和更遠(yuǎn)的太空，其自主性和可靠性必需達(dá)到我們要求的這一水平。