Роботизована система, розроблена на замовлення DARPA, вперше змогла створити ферменну конструкцію прямо в космосі. Це відкриває шлях до використання штучного інтелекту у будівництві позаземних станцій та колоній. Але станеться це ще не скоро.
Роботизований будівельник у космосі
Роботизований будівельник ферм, який був розроблений, спроєктований і зібраний дослідниками з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech), успішно збудував конструкцію в космосі — вперше без допомоги астронавтів. Цей будівельник ферм, що є частиною програми DARPA Novel Orbital and Moon Manufacturing, Materials, and Mass-efficient Design (NOM4D), складається з автономного маніпулятора, який бере стійки та з’єднання з поруч розташованих розподільників і повторювано збирає однакові секції, або прольоти, периферійної ферми. Про це розповідає сайт Phys.org.
«Це вперше, коли структура була автономно побудована в космосі, — каже Серджіо Пеллегріно, професор аерокосмічної та цивільної інженерії, а також професор кафедри аерокосмічного лідерства імені Лінн Бут і Кента Креси. Він також є виконавчим керівником аерокосмічного напряму та старшим науковим співробітником Лабораторії реактивного руху (JPL), якою Caltech керує для NASA.
Пеллегріно очолює команду демонстраційного проєкту Caltech «Autonomous In-Space Tensioned Reflector Assembly» (ASTRA), роботизованого будівельника, який останні шість місяців перебував у космосі, працюючи над збиранням рефлекторної антени діаметром 1,4 м (4,6 фута) із композитних волоконних труб, алюмінієвих сполук і відбивної поверхні з Kapton.
Хоча команда зіткнулася з обмеженнями в часі й змогла побудувати лише початкову частину антени, демонстрація показала можливість запропонованої концепції складання, яка може масштабуватися до дуже великих периметрових ферм, що підтримують гігантські відбивні поверхні.
Демонстрація у космосі
Космічна демонстрація є третьою фазою проєкту DARPA. У перших двох фазах команда ASTRA розробила концепцію та методологію проєктування, а потім показала, що концепція працює в лабораторних умовах на Землі. Космічне навантаження було завершене, протестоване та передане хосту навантаження, Momentus Inc., менш ніж за 12 місяців.
Науковці кажуть, що розробити настільки складне обладнання за такий короткий термін було величезним завданням, і тепер після завершення демонстрації можна почати думати про нові напрямки досліджень.
Науковці хотіли б мати можливість розгортати великі конструкції, такі як відбивні поверхні, у космосі. Їх можна було б використовувати як величезні дзеркала для потужних космічних телескопів, що дозволяло б астрономам спостерігати ще більш віддалені об’єкти; або ж ці конструкції могли б утворювати апертуру великих антен для радіочастот.
Автономне складання дуже великих конструкцій у космосі
Розмір таких конструкцій наразі обмежений розміром ракетних обтічників. З початку освоєння космосу існувало два способи доставити великі конструкції на орбіту або далі: скласти їх для запуску й розгорнути в космосі, або вручну збирати з частин, надісланих у серії запусків. Зараз потрібен третій варіант для потрапляння більших конструкцій у космос — будувати їх прямо там.
Саме тут і з’являється програма NOM4D. DARPA запустила її у 2022 році з метою врешті-решт доставляти сировину із Землі для виробництва на орбіті. Демонстрація ASTRA від Caltech — один з лише двох проєктів, які дійшли до третьої фази програми NOM4D: невеликі демонстрації на орбіті.
Інша група, яку очолює Університет Іллінойсу в Урбана-Шампаїн, буде використовувати один із модулів, приєднаних до Міжнародної космічної станції, щоб протестувати метод зміцнення карбонових труб у космосі.
«Мета NOM4D — забезпечити ефективне, масштабоване будівництво дуже великих конструкцій у космосі, — сказав Ендрю Детор, керівник програми NOM4D у DARPA, у письмовій заяві. — Під “дуже великими” я маю на увазі сотні метрів чи кілометри в масштабі. Нічого подібного до такого масштабу сьогодні досягти неможливо».
ASTRA на орбіті
Рано-вранці 30 березня 2026 року ASTRA вирушила на низьку навколоземну орбіту з бази Ванденберг Космічних сил як один із 10 вантажів, які перевозив орбітальний космічний апарат Vigoride 7 компанії Momentus Inc., який сам був запущений на місії SpaceX Transporter-16. Вантаж ASTRA, обсягом приблизно 1 м³ (35 кубічних футів), пережив запуск.
Він містив два заздалегідь зібрані відсіки ферми з діагональними опорами з конструкційних стержнів і з’єднань, а також маніпулятор у формі руки. У вантажі також були всі частини, потрібні для побудови решти ферми, розміщені в моторизованих розподільниках.
Коли ASTRA опинилася в космосі, фахівці почали надсилати команди на бортовий комп’ютер через апарат Vigoride. Спершу були відпущені пускові утримувачі, які тримали його компоненти під час запуску. Далі два попередньо зібрані відсіки були виштовхнуті з конструктора ферми, а потім було здійснене збирання третього відсіку.
Команди для побудови структури були надіслані фахівцями ASTRA — Чарльзом Соммером, колишнім інженером систем у Caltech; Аланом Труонгом, науковим співробітником Caltech; та аспіранткою Тарою Венкатадрі (Магістр) — і результати перевірялися за фотографіями, завантаженими з космосу.
Операцію повторювали, щоб подолати непередбачувані проблеми, яких було багато. «Саме для цього проводять тестування концепції. У космосі дуже багато відмінностей від земних умов, — пояснює Джейден Сух, колишній постдокторальний дослідник з Caltech. — Завжди є багато маленьких сюрпризів».
Процес збирання ферми в космосі
Щоб допомогти розв’язувати ті маленькі несподіванки, команда створила двійника ASTRA, запасний апарат для польотів, з яким вони могли працювати у лабораторії Каліфорнійського технологічного інституту. Є лише близько семи чи восьми коротких вікон по 15 хвилин кожного дня, коли дослідники на Землі можуть зв’язатися з системою у космосі. Тож команда знаходить рішення, тестуючи альтернативи на запасному апараті, а потім передає обхідний шлях двійнику в космосі.
Номінально головний маніпуляторний робот пересувається, підбирає компоненти, переміщує їх на потрібну позицію та збирає кожен відсік на монтажній плиті. Після завершення цієї послідовності маніпулятор прикріплює до ферми сітчасту перфоровану плівку, щоб утворити дві відбивні кабельні сітки, які за допомогою пружин переднавантажуються одна проти одної.
Відбивний матеріал ASTRA був спільно винайдений командою Каліфорнійського технологічного інституту та співробітниками Університету Пенсильванії під керівництвом професора Ігоря Барґатіна. Перфорована плівка має кілька переваг у порівнянні зі звичайною в’язаною металевою сіткою, яка зазвичай використовується у складаних відбивачах: вона потребує меншого переднавантаження і таким чином дозволяє інженерам проєктувати значно легші конструкції.
Після повної підготовки кожен новий блок виштовхується у космічний простір, і вся послідовність повторюється для наступного блоку. Ферма ASTRA вважатиметься завершеною, коли будуть добудовані 11 блоків, прикріплених до сітчастих відбивачів і виштовхнутих назовні.
З огляду на те, що місія ASTRA завершується у грудні, навряд чи демонстрація встигне завершити повне збирання ферми. Однак розробники стверджують, що вже здобули достатньо досвіду, аби підтвердити принципову можливість запропонованого підходу до орбітального складання. Водночас вони визнають, що конструкцію ще потрібно спростити й удосконалити.
«Коли ви досягаєте граничного розміру, за якого конструкції не можна попередньо зібрати на Землі й розгорнути, потрібно думати про те, як будувати їх у космосі, — говорить Пеллегріно. — Тож ця робота може бути корисною не лише для астрономії та астрофізики, а й для комунікацій та інших сфер, наприклад, для створення дуже великих сонячних батарей для космічної сонячної енергії».
