Американцы создали липкую космическую руку

Новая технология для манипулятора, протестированная в США, позволяет захватывать практически любые объекты в независимости от их размера, формы и состава: от спутников и грузовых капсул до скафандров, космического мусора и даже астероидов.

Компания Altius Space Machines бросила все свои силы на любопытный проект космического манипулятора «липкая стрела» (Sticky Boom). Его авторы поясняют, что сейчас рука шаттла или орбитальной станции способна надёжно удерживать лишь предметы, снабжённые соответствующим узлом для захвата.

Новый манипулятор сочетает противоречивые свойства. С одной стороны, он обращается с предметами бережно, не сдавливает их и не повреждает, но с другой, удерживает их достаточно крепко (фото Altius Space Machines).

Между тем большинство спутников не оборудовано такой ответной деталью, так что их ремонт или «пленение» с целью доставки на Землю представляют большую сложность, даже в случае если к аппарату вплотную подлетит какой-нибудь корабль. Не хватать же спутник за край солнечной батареи?!

Что уж говорить о бесформенных рукотворных обломках, представляющих угрозу для космической станции, или космических скалах, которые в перспективе тоже нужно будет уметь захватывать.

Для всех этих задач у Altius Space Machines имеется одно решение – манипулятор, который удерживает предметы за счёт прилипания. Но это не клей на конце манипулятора, как можно было бы подумать.

Основание манипулятора и электроника, управляющая работой захвата (фотографии Altius Space Machines).

На прообразе будущего манипулятора видны какие-то контакты, платы с микросхемами и тонкие лепестки, соединённые проводниками с системой питания.

Всё вместе это работает просто загадочно. Без видимого усилия «цветок» удерживает в своих объятиях массивный шарик.

Как объясняет Technology Review, в новом аппарате работает электроадгезия (electroadhesion). За счёт электростатических сил она создаёт эффект притяжения предмета к упругим лепесткам, венчающим грузовую стрелу.

Говоря проще, новое устройство перераспределяет электрические заряды на конце механической руки и на поверхности удерживаемого тела так, что между ними возникает притяжение. И не имеет значения, из проводящего материала выполнена цель или нет.

С роботом-стенолазом американцы не только продемонстрировали эффект электроадгезии в действии, но и показали, что сила прилипания может доходить до 1,5 ньютона на квадратный сантиметр контактирующей поверхности (фото SRI International).

У нынешнего проекта есть любопытный предшественник. В 2008 году американская компания SRI International создала робота-стенолаза, который бегал по различным вертикальным поверхностям как раз за счёт электроадгезии (роботов было даже несколько вариантов).

Эта технология обеспечивает надёжное сцепление с любым материалом — металлом, пластиком, стеклом, деревом, бетоном или камнем, уверяют разработчики.

Важно также, что расход энергии системой электростатического прилипания довольно мал – по 20 микроватт на каждый ньютон удерживаемого веса.

Теперь Altius сотрудничает с SRI International в переводе технологии электростатического прилипания на космические рельсы. Авторы «липкой стрелы» особо подчёркивают, что её универсальность открывает новые возможности для космических манипуляторов.

«Вам даже не нужно знать, из чего сделан объект и какая у него форма, чтобы пойти и зацепиться за него», — говорят представители Altius Space Machines. О перспективах технологии мы скажем позже, а пока познакомимся с достигнутыми результатами.

Весной нынешнего года Altius построила прототип Sticky Boom (на снимках под заголовком и ниже) и успешно испытала его в невесомости на борту самолёта, летящего по параболе, а ещё — в термической вакуумной камере.

На основе этой технологии Altius разработала новую концепцию доставки припасов и лабораторного оборудования на МКС либо иную орбитальную лабораторию. Называется она «напрямую к станции» (Direct to Station — D2S).

По этой технологии космический аппарат, несущий груз, не должен иметь на борту ни стыковочного оборудования, ни электроники для контроля за сближением и стыковкой, а только аппаратуру связи.

Схема работы системы D2S. Пояснения в тексте (иллюстрации Altius Space Machines).

После того как последняя ступень ракеты выведет свой груз приблизительно в район станции (1 на рисунке вверху), та должна взять управление на себя. Сама МКС начнёт измерять расстояние, скорость и координаты грузовика (2) и посылать на двигатели последней ступени носителя управляющие команды (3).

Так ракета должна подойти на безопасное расстояние к станции (100-200 метров) и остановиться. Со стороны орбитального дома к ней вытянется «липкая стрела» (4) и заберёт контейнер с грузом или медленно подтянет всю ступень. Теперь уже груз можно при помощи манипулятора переместить в шлюз или оставить на внешней платформе.

Основная часть столь длинной станционной руки, по замыслу инженеров, должна представлять собой нечто вроде рулетки, в которой упругий материал изначально намотан на катушку, но при вытягивании, за счёт поперечного изгиба поверхности, способен поддерживать прямую форму. В невесомости такую ленту можно вытягивать на десятки и сотни метров.

Компоненты «липкой стрелы». На врезке – один из ранних прототипов, на котором проверялась идея «металлической рулетки» (иллюстрации Altius Space Machines).

Ниже вы можете посмотреть, как последний прототип манипулятора от Altius вытягивает и складывает свою гибкую стрелу.

Такой способ доставки припасов на станцию имеет одно явное преимущество перед традиционным. При наличии липнущего манипулятора грузы можно отправлять намного чаще и понемногу при помощи недорогих ракет лёгкого класса (возможно, частных).

Инженеры поясняют, что небольшие контейнеры с грузами, весящие всего по нескольку килограммов или десятков кило, слишком малы, чтобы их можно было оборудовать собственными стыковочными узлами или двигателями ориентации и системами причаливания.

Потому сейчас мы можем отправлять к МКС лишь настоящие корабли-грузовики, то есть дорогие конструкции, заполняемые уже не килограммами, а тоннами грузов и запускаемые раз в несколько месяцев.

Липкий манипулятор мог бы помочь и при отправлении грузов либо пилотируемых кораблей на Землю. Рука отпускала бы захваченный объект на сотню метров ниже станции, фактически на другой орбите, где аппарат уже не мог бы столкнуться с космическим домом (иллюстрация Altius Space Machines).

30 июля компания Altius заняла первое место и выиграла $25 тысяч в соревновании космических бизнес-планов имени Хайнлайна (2011 Heinlein NewSpace Business Plan Competition), спонсируемом NASA и рядом фондов.

Судей впечатлил не только проект сам по себе, но понравилось и то, как озвученное предложение способно повлиять на рынок. Ведь с такой технологией к МКС получают доступ операторы пусковых услуг, которые раньше не могли рассчитывать на подобные задания.

«Вместо редких визитов крупных аппаратов мы должны организовать нечто вроде почтовой пересылки на орбиту, — говорят американские новаторы, – малыми партиями, зато быстро и точно по требованию. Это ускорит темп исследований в космосе».

Помимо обычных грузов система D2S позволила бы доставлять на МКС крупные запчасти. Для них не понадобится ни просторный грузовик, ни какой-либо перспективный шаттл. Достаточно поместить нужную «железку» под обтекатель ракеты и забросить в зону захвата «липкой руки».

Наконец, адгезионный манипулятор мог бы пригодиться для перехвата на околоземной орбите капсул с образцами инопланетного грунта, привезённых межпланетными станциями.

В финальном ролике, начиная с 7:45, о проекте D2S и планах компании рассказывает президент Altius Space Machines Джонатан Гофф (Jonathan Goff). Там же можно посмотреть выступления других участников конкурса.

Любопытно, что Гофф также является одним из основателей компании Masten Space Systems, которая построила прототип лунной посадочной ступени, выигравший в 2009 году совместный конкурс от Northrop Grumman и X PRIZE. А на этом снимке мы видим свидетельство новой победы Гоффа — символический чек от Heinlein NewSpace Business Plan Competition (фото Altius Space Machines).