月球門戶空間站是美國國家航空航天局（NASA）在這個十年內再次將宇航員送上月球計劃的重要組成部分，這將是人類在近地軌道之外的首個永久性前哨站。該項目由美國國家航空航天局、加拿大太空總署（CSA）、歐洲太空總署和日本宇航局合作建設，目的是支持月球表面的作業(yè)，同時還將作為火星探索的補給站。月球門戶空間站將會比國際空間站（ISS）小得多，最初將只包括兩個艙，隨著時間的推移會增加更多艙。該空間站的首批組件將是帶有居住和后勤前哨站（HALO）的動力和推進元件（PPE），計劃于2024年11月與太空探索技術公司的獵鷹重型火箭一起發(fā)射。

 

　　月球門戶空間站相對較小可能是因為站內大多數時間不會有人，雖然宇航員可能會在站內停留幾周，但預計月球門戶空間站一年內大約有11個月不會有人。這是對月球門戶空間站的獨特挑戰(zhàn)。

 

　　在國際空間站上，宇航員會花大量時間對空間站進行保養(yǎng)，但門戶空間站必須在沒有人直接協助的情況下，長時間維持自身的功能。

 

　　美國國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)經理朱莉亞•巴杰（JuliaBadger）解釋說：“月球門戶空間站需要自己完成宇航員在國際空間站上所做的工作。此外，其運行模式也有很大不同。目前，國際空間站的任務控制是全天候的，而我們最終希望月球門戶空間站的地面遙控操作時間為一周只有8個小時。”國際空間站每天要接收數百個命令以維持其運行，這對月球門戶空間站來說也是必要的，但這些命令將來月球自門戶空間站自身，而不是來自地球上的人類。

 

　　為了實現這一目標，美國國家航空航天局正在開發(fā)一種運載系統(tǒng)管理器（VSM），這在某種程度上很像科幻宇宙飛船中無處不在的計算機系統(tǒng)。運載系統(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自遠方的人類的輸入信息，處理所有可以管理的問題。“與國際空間站相比，這是一種新的思維方式。”巴杰說，“如果月球門戶空間站出現問題，我們要么能與其共存一段時間，要么具備遠程或自主修復的能力。”

 

　　雖然月球門戶空間站本身可被視為機器人，但通過專用自動系統(tǒng)可以合理有效完成的工作是有限的。美國國家航空航天局必須在冗余與復雜性和質量之間進行平衡。例如，對于月球門戶空間站的艙口是否應該能自行打開或關閉，進行了多方討論，最終美國國家航空航天局決定其艙門需要手動操作。但這并不一定意味著月球門戶空間站在沒有人協助的情況下無法打開艙門；這只表示艙門需要機械臂進行操作，而非人工手動操作。

 

　　“我最終希望能有機器人可以打開艙門。”巴杰說。她解釋道，門戶空間站的設計考慮了潛在的艙內機器人（IVR），包括增加重要地點的視覺標識、在空間站內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；在需要的時候，機器人可以移除或更換這些模塊。巴杰說：“在月球門戶空間站的設計中，我們正在嘗試做出明智的決策，不增加太多的質量，但便于機器人在空間站內工作。”

 

　　美國國家航空航天局已經積累了豐富的艙內機器人的經驗。從2011年起，全尺寸人形機器人Robonaut2已經在國際空間站上度過了多年，學習執(zhí)行本應由人類宇航員完成的任務。最近，一組3個可自由飛行的立方體機器人Astrobee在國際空間站上定居了下來，進行自主感知和導航試驗。目前，美國國家航空航天局的自適應自主看管綜合系統(tǒng)（ISAAC）項目正在探索如何將類似Astrobee的機器人應用到月球門戶空間站的各項任務中，包括監(jiān)測空間站的運行狀況以及自主移動貨物等任務。但在短期內，巴杰認為：“維護月球門戶空間站，例如使用機器人斷開損壞的部件，將比后勤任務更重要。”

 

　　巴杰認為，類似Robonaut2的通用可移動機械手和類似Astrobee的自由飛行器的組合是一個很好的搭配，這種組合符合當前月球門戶空間站艙內機器人的總體概念。這并不是說最終月球門戶空間站的艙內機器人必須與在國際空間站上工作的機器人外形相同，但它們將受國際空間站上的機器人啟發(fā)，并充分利用美國國家航空航天局目前在國際空間站上工作的機器人的所有經驗。

 

　　巴杰說，一定數量的專用機器人也許很有用。“例如，如果需要鉆到（設備）機架后面，那么你可能想要一個蛇形機器人。”

 

　　雖然美國國家航空航天局正在積極準備月球門戶空間站的艙內機器人，但這種機器人尚未誕生。美國國家航空航天局自己不會制造這種機器人，要靠行業(yè)合作伙伴提交的符合美國國家航空航天局要求的設計。在發(fā)射時，可能至少在最近幾年，月球門戶空間站要在沒有內部機器人協助的情況下照料好自己。不過，門戶空間站的目標之一是在與地球沒有任何聯系的情況下，完全自主運行3周。其目的是模擬地球與火星之間3周的行星聚合，此時太陽會阻隔兩個星球之間的所有通信。巴杰說：“我認為我們應該搭載艙內機器人。如果真的想要讓月球門戶空間站自我維護21天，那么艙內機器人將是其中非常重要的部分。此外，因為要探索火星，我認為機器人是必不可少的。”

 

　　要讓月球門戶空間站長期自主運行，艙內機器人只是機器人團隊的一半?？臻g站要依靠復雜的外部基礎設施，例如動力、推進、熱控制等。從2001年以來，加拿大臂2號一直駐扎在國際空間站上，它是一個17.6米的機械臂，它能夠在空間站外圍移動，在空間站內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)新型的機械臂系統(tǒng)，名為加拿大臂3號，并計劃于2026年發(fā)射。加拿大臂3號將包括一個8.5米長的機械臂，用于抓取航天器和移動大型物體，以及一個靈巧的小型機械臂，可用于執(zhí)行精密的任務。小機械臂在需要的時候甚至能夠維修大機械臂。加拿大太空總署月球門戶空間站首席工程師和系統(tǒng)經理丹尼爾•雷伊（DanielRey）表示，加拿大臂3號與其前任的真正區(qū)別在于其控制方式。“加拿大臂3號最新穎的特點之一是它不需要機組人員，能夠自主運行。”雷伊說。它的這種能力依靠的是新一代軟件和硬件，它們賦予了該機械臂對刺激做出反應的能力。

 

　　盡管月球門戶空間站距離地球的距離是國際空間站的1000倍，但雷伊解釋說，距離增加（約40萬公里）并不是加拿大臂3號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生的到地球的信號延遲，與近地軌道位置信號經過各種地面站所產生的延遲沒有什么不同。如果加拿大臂3號準備去探索情況不同的火星，那么我們認為其需要有更多的自主性。”

 

　　加拿大臂3號在月球門戶空間站的自主任務將包括外部檢查、卸載物流運載工具、部署科學荷載，以及用備件更換損壞部件維修門戶空間站。雷伊告訴我們，還將有一個技術后勤氣閘艙以及一個移動工作臺，用于將設備移入和移出門戶空間站。“有可能在外部部署科學載荷，或將外部系統(tǒng)拿到內部來維修，也可用于實現未來內部機器人系統(tǒng)與加拿大臂3號的協作。我認為這將是一件非常令人激動的事。”

 

　　雖然月球門戶空間站的機器人居民還需要幾年才能到達，但當動力和推進部件以及居住和后勤前哨站于2024年11月進入月球軌道時，該空間站將（根據需要）在很大程度上自主運行。屆時搭載的還有幾項科學載荷，包括太陽物理學和空間氣象實驗。

 

　　不過，月球門戶空間站本身就可以說是最重要的實驗。其自主系統(tǒng)無論是否體現在內部或外部機器人，在確信其技術足以進行深空旅行之前，都將經過連續(xù)的測試。除了要在沒有通信的情況下運行21天，月球門戶空間站的最終要求之一是能夠在沒有航天員到訪的情況下，正常運行3年。要準備探索火星和更遠的太空，其自主性和可靠性必需達到我們要求的這一水平。