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NASA研制月球采矿机器人:土壤提炼氧气做燃料

(2013年01月30日 09:11:40)
来源:新浪科技

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RASSOR机器人正在美国宇航局肯尼迪航天中心进行的一次测试中开展爬坡实验RASSOR机器人正在美国宇航局肯尼迪航天中心进行的一次测试中开展爬坡实验

  新浪科技讯 北京时间1月30日消息,据国外媒体报道,在数十年精心设计并派遣机器人执行宇宙探索任务之后,美国宇航局准备转变思路——他们正在开发一种月球采矿机器人,它们可以连续不断的工作,一年365天每天24小时不眠不休。或许我们可以将它们称作是“蓝领”机器人?

  这种机器人被称为“RASSOR”,这是“表土层先进表面系统操作机器人”的英语缩写,它的发音和英语中剃刀“razor”的发音相同。尽管这种机器人距离能真正投入使用还相差很远,然而其早期设计已经让工程师们对于未来那些将会被派往月球上进行挖掘施工的机器人应当进行何种设计有了一些概念。

  瑞秋·考克斯(Rachel Cox)是一名RASSOR团队成员,是一位任职于肯尼迪航天中心的工程师。他说:“对于它能从事的工作我们感到惊奇。”

  对于任何可以被送往其它星球进行挖掘工作的机器人而言,首要的条件便是它必须比较小巧轻便,这样才可以被放到火箭上进行发射;但反过来,它也必须具有一定的质量,这样才能在那些重力比地球小的星球,如月球的环境下顺利开展工作。尼克(A.J. Nick)同样是来自RASSOR小组的工程师,他说:“你将你的机器人设计地越轻,它从事挖掘工作就会越难。”

  RASSOR解决这个问题的办法是在两端各安装了一个“手提鼓”一样的滚轮式掘进滚轮。这两个掘进滚轮可以向着相反方向旋转,这样这两个掘进滚轮相互之间便可以互相为对方提供足够大的摩擦附着力,让整个挖掘作业得以顺利进行下去。

  研制小组在地面建造了一座悬吊系统,从而能让设备模拟月球上的1/6重力环境并开展有关实验工作。尼克表示:“我们已经证明,如果你只使用一个‘手提鼓’,当你进行钻进作业时反而会推着自己后退,但是如果你将另一个‘手提鼓’放低并旋转它,一旦两者都接触到地面,你就可以安然地进行钻进作业了。”

  这个“手提鼓”还有另外一个秘密,那就是按照先前版本的洛克希德·马丁公司设计给出的理念——在掘进滚轮上交错排列的浅浅凹勺,这样便可以每次只攫取一小份土壤,慢慢积少成多,而不像是地球上的推土机那样一下子掘取一大堆土石。

  按照目前的设计,RASSOR飞船整体理论上在除去着陆器之外还可搭载大约2000磅(约合907公斤)重的载荷,这样一来其质量规模大致就和美国宇航局送往火星的凤凰号着陆器相当。而RASSOR机器人本身的重量大约是在100磅(约合45公斤)左右,其余科学载荷主要将被用于现场分析由RASSOR机器人采集来的土样。

  RASSOR机器人的外观确实非常独到,看上去就像是一辆小型迷你坦克,只不过在两边各安装了一台手提鼓。但正是这个手提鼓形的设计是整个项目的亮点所在,是其中最具创新性的地方。由于它们被置于可以活动的机械臂之上,它们几乎就可以像手臂一般自由活动,从而确保机器人可以安全越过障碍甚至可以爬山。

  研制小组将这种高难度动作戏称为“杂技表演”。工程师们指出这辆外观奇特的小车可以自行从着陆平台上走下来,一旦车体上沾上尘土或是有细碎尘土累积,它还会自动翻转过来去掉身上的尘土。根据设计,RASSOR机器人可以轻松地将自己摆放成Z字形,然后将自己身上土壤容器中的土样倾倒进样本槽。至于它的大小,当RASSOR机器人将自己的手提鼓高高举过头顶时,它的高度为2.5英尺(约合76厘米)。

  这个小机器人的设计初衷是收集月壤并将其倒入一台专用设备内,这台设备将会提取月壤中水和冰的成分并将其转化为可供火箭使用的燃料或者可供驻扎月球的宇航员呼吸的空气。这样一台专用设备将会跟随搭载RASSOR机器人的着陆器一同登陆月球表面。因此可以说这台小小机器人就成了整个月球采矿站的矿工,这在以往是从未有过类似先例的。

  在月球上就地从月壤中提炼火箭燃料和氧气将极大节约从地球长途跋涉运载补给物资的成本,因为以运送燃料为例,这样运送一次的话其原本携带的燃料量的90%都会消耗在路途之中而无法送达月面基地。尼克表示:“这就像是一个梦想。”

  这种设计或许也将可以被应用在火星上,因为那里的土壤也被认为含有大量的水分。尼克说:“在火星极地的一些区域,人们认为那里有很多水冰,因此你可以在那里开采到水冰。还有一些地方,水冰就在表面以下大约30厘米的地方,因此你只要挖掘大约30厘米深究可以开始收集水冰物质了。”

  然而为了给“生产线”提供足够的原材料以便后者能生产出足够使用的产品,RASSOR机器人必须接连不断,每天工作大约16个小时,连续工作5年时间。目前正在火星表面工作的好奇号火星车的最高行驶速度大约是每秒4厘米,而RASSOR机器人的行驶速度将是这一速度的5倍。它可以以这样的速度用它的两个大滚轮扫过月面,当它回到处理设备前准备“卸货”时,它每次可以倒出大约40磅(约合18公斤)的月壤物质。杰森·舒勒(Jason Schuler)同样是RASSOR项目组的一名工程师,他说:“现在我们想做的只是确保在设计层面不会有任何妨碍它执行这项任务的因素存在。”

  要想设计满足此等奇特目的的机器人需要极大的创新,它的研制小组表示在研发第二代原型车之前他们至少还需要面对一个重大决定,那就是究竟是继续采用坦克一般的履带,还是换成车子那样的轮子?在近期的一些测试中,履带设计暴露出一些问题,绝大部分都和粗沙粒和碎屑卡住履带传动系统有关。研制小组在肯尼迪中心使用各种不同的平面测试了RASSOR机器人的性能,其中就包括将鹅卵石碾碎之后设计成的粗糙地面。

  这些石块尽管已经被用压路机彻底压成粉末,但仍然无法代替月壤。不过如果小机器人能应付这种地表的话,那面对真正月壤的时候也就不会出什么大的问题了。舒勒说:“动力系统绝对是一大挑战,你不能想当然地就认为你在草地上,在水泥地上甚至在沙地上表现不错就能到月面上同样如此。”就说其中一点,地面测试中使用的小机器人履带是用橡胶制成的,但是最后送往月球的版本,它的履带应该是用金属制作的。比如阿波罗计划中美国宇航员驾驶的大型月球车,它们的轮子便是用不锈钢弹簧制成的,没有使用橡胶。考克斯表示:“我们现在正在考虑我们是否需要花费时间研制更可靠的履带系统,或者我们干脆将其更换成轮子。”

  现在研制小组已经清理出一块边长25英尺(约合7.6米)的空地并在其中铺设模拟月壤物质,以便上这个小机器人能在尽可能相似的环境下对系统开展各种测试。

  目前研制小组已经开始第二代原型机器人——RASSOR-2的研制工作,这一型的机器人相比第一代原型机将更加接近美国宇航局最终将送往月球的版本。预计这一改进型机器人将于2014年年初开始开展测试工作。(晨风)



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