DARPA и Калифорнийский технологический институт продемонстрировали технологию, которая в будущем может изменить подход к строительству крупных объектов на орбите. Роботизированная система ASTRA успешно собрала часть несущей конструкции антенны из отдельных компонентов, доставленных в космос. Это первый важный шаг к созданию масштабных сооружений непосредственно на орбите Земли.
До сих пор строительство крупных космических объектов было связано с серьёзным ограничением: практически все их элементы приходилось изготавливать на Земле, доставлять ракетами и затем соединять в космосе с помощью астронавтов или роботизированных манипуляторов.
Новый эксперимент предлагает другой подход: отправлять на орбиту не готовые конструкции, а отдельные компоненты и материалы, из которых специальные роботы смогут самостоятельно создавать необходимые сооружения.
Как работает роботизированная система ASTRA
Разработку выполнила команда Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology, Caltech) при финансовой поддержке американского Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).
Проект получил название ASTRA — Autonomous In-Space Tensioned Reflector Assembly. Его главная задача — продемонстрировать возможность автоматизированной сборки крупногабаритных конструкций непосредственно в космическом пространстве.
В качестве демонстрационного объекта инженеры выбрали отражающую антенну диаметром 1,4 метра. Её конструкция предусматривала использование композитных трубок, алюминиевых соединительных элементов и специальной отражающей плёнки.
Однако экспериментальная миссия была ограничена по времени, поэтому полностью собрать антенну не удалось. Два сегмента ферменной конструкции доставили на орбиту уже собранными, а третий робот сформировал непосредственно в космосе.
Несмотря на относительно скромный масштаб демонстрации, принципиально важно другое: робот не просто перемещал готовые детали, а самостоятельно соединял отдельные элементы, формируя новую часть конструкции.
Именно поэтому исследователи рассматривают эксперимент как важное подтверждение перспектив автономного космического строительства.
Почему строительство в космосе может оказаться эффективнее
Главная проблема доставки крупногабаритных объектов на орбиту заключается не только в их массе, но и в размерах.
Ракетные обтекатели имеют ограниченный внутренний объём. Поэтому даже если конструкция относительно лёгкая, её габариты могут сделать запуск чрезвычайно сложным или вовсе невозможным.
Складные антенны и солнечные панели частично решают эту проблему, но требуют сложных механизмов раскрытия и всё равно должны выдерживать нагрузки, возникающие во время запуска.
А что, если вообще отказаться от необходимости доставлять на орбиту готовые изделия?
Именно такую концепцию развивает программа NOM4D — Novel Orbital and Moon Manufacturing, Materials and Mass-efficient Design. Её цель — научиться производить крупные космические конструкции из исходных материалов непосредственно за пределами Земли.
Вместо готовой антенны, солнечной батареи или оптической системы ракета будет доставлять относительно компактные заготовки и оборудование для их обработки. Уже на орбите автоматизированные установки смогут создавать конструкции, изначально спроектированные для работы в условиях невесомости.
Это открывает совершенно новые возможности. Инженерам больше не придётся в той же степени учитывать ограничения ракетной доставки при проектировании космических сооружений.
От небольших антенн к конструкциям километрового масштаба
Долгосрочные планы программы NOM4D значительно амбициознее демонстрации ASTRA.
Исследователи рассчитывают, что в перспективе аналогичные технологии позволят создавать огромные конструкции, размеры которых будут измеряться километрами. Речь идёт о крупных антеннах, оптических системах и масштабных солнечных электростанциях.
Особенно интересен принцип модульного строительства, на котором основана разработка.
DARPA сравнивает его с детскими конструкторами вроде K'Nex: отдельные элементы соединяются по относительно простой повторяющейся схеме, постепенно образуя сложную и значительно более крупную конструкцию.
По словам Эндрю Детора (Andrew Detor), руководителя программы NOM4D со стороны DARPA, в рамках автоматизированного процесса каждый сегмент создаётся последовательно, после чего к нему прикрепляется отражающая сетка. Готовые секции затем разворачиваются и становятся частью общей конструкции.
При этом разработчики не делают ставку на исключительно сложные алгоритмы или универсальных роботов с искусственным интеллектом. Основная идея заключается в грамотной инженерной организации операций, которые можно многократно повторять.
Как подчёркивает Детор, современные технологии пока не позволяют создавать сооружения подобного масштаба. Но именно такие эксперименты постепенно приближают эту возможность.
Насколько автономен космический строитель?
Несмотря на впечатляющее название, робот ASTRA пока нельзя назвать полностью независимым строителем.
Во время демонстрации он выполнял монтажные операции самостоятельно, однако инженеры на Земле продолжали контролировать процесс и помогали решать возникающие проблемы.
Связь с аппаратом была возможна лишь в несколько ограниченных ежедневных временных интервалов продолжительностью около 15 минут каждый.
В эти периоды специалисты получали фотографии происходящего, анализировали состояние конструкции и при необходимости проверяли решения на точной копии установки в лаборатории. После этого роботу отправляли соответствующие команды.
Таким образом, эксперимент продемонстрировал не полную автономность, а возможность выполнения сложных сборочных операций роботизированной системой при ограниченном участии человека.
Впрочем, для будущих космических миссий даже такой уровень автоматизации может оказаться чрезвычайно полезным. Чем меньше непосредственного вмешательства астронавтов потребуется при строительстве, тем проще будет организовывать продолжительные и масштабные работы на орбите.
От Canadarm2 до космического производства
Роботизированная сборка конструкций в космосе не возникла на пустом месте. На протяжении десятилетий инженеры постепенно расширяли возможности автоматизированных систем.
Например, канадская роботизированная система Canadarm2 сыграла важную роль в строительстве Международной космической станции. Она помогала перемещать крупные модули и устанавливать оборудование, облегчая работу астронавтов.
Однако принципиальное отличие ASTRA заключается в характере выполняемых операций. Canadarm2 преимущественно манипулировала уже изготовленными на Земле компонентами, тогда как новая система продемонстрировала сборку более крупного элемента из отдельных деталей непосредственно на орбите.
Существуют и другие примеры развития космического производства.
В 2014 году на борту Международной космической станции 3D-принтер изготовил лицевую панель для собственного корпуса экструдера — механизма, который подаёт материал для печати. Это стало наглядной демонстрацией того, как оборудование для производства может создавать детали для самого себя.
Ещё один интересный пример — американский проект Archinaut One, также известный как OSAM-2. Он предусматривал производство несущих балок непосредственно в космосе и последующее развёртывание солнечной батареи. Для этого планировалось объединить технологии 3D-печати и роботизированного манипулирования.
Наземные испытания показали определённые перспективы разработки, однако в 2023 году проект был прекращён.
На этом фоне эксперимент ASTRA становится ещё одним важным этапом в развитии технологий орбитального производства.
Что это изменит в освоении космоса?
Возможность строить крупные объекты непосредственно на орбите способна существенно расширить возможности космической инфраструктуры.
Например, огромные антенны позволят создавать более мощные системы связи и наблюдения. Крупногабаритные оптические конструкции могут открыть новые перспективы для астрономических инструментов. А масштабные солнечные батареи потенциально обеспечат космические аппараты значительно большими объёмами энергии.
Но, пожалуй, самое важное изменение заключается в самом подходе к освоению космоса.
Сегодня космическая техника в значительной степени зависит от возможностей земной промышленности и ракетной доставки. Если же производство начнёт перемещаться непосредственно на орбиту, инженеры получат возможность создавать объекты, которые было бы практически невозможно доставить туда в готовом виде.
Конечно, до строительства километровых космических сооружений ещё далеко. Предстоит решить множество инженерных задач: от обеспечения точности сборки до организации надёжного производства материалов в условиях микрогравитации.
Однако первый шаг уже сделан. Робот ASTRA доказал, что космическое пространство может стать не только местом эксплуатации техники, но и полноценной строительной площадкой.
И, возможно, в будущем самые большие сооружения человечества будут появляться не на Земле, а непосредственно среди звёзд.
