认识月球门户的看护人

　　一个艺术家的概念图，显示了月球轨道上门户（Gateway）外部的Candarm3。
　　美国国家航空航天局（NASA）计划在这个十年内将宇航员送回月球，该计划的一个组成部分是月球的门户，它将是人类在低地球轨道之外的第一个永久性前哨。门户（Gateway）项目是美国国家航空航天局（NASA）、加拿大航天局（CSA）、欧洲航天局（ESA）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）之间的合作项目，旨在支持月球表面的登陆，同时也作为探索火星的一个中转点。
　　门户（Gateway）项目比国际空间站（ISS）小得多，最初只包括两个模块，随着时间的推移将增加更多模块。空间站第一批到达月球轨道的部件将是连接到居住和后勤前哨（HALO）的动力和推进元件（PPE），这个前哨计划于2024年11月由SpaceX猎鹰重型火箭一起发射。门户（Gateway）设施相对较小的规模是可能做到的，因为空间站大部分时间都不会有船员，宇航员可能会经过几周，但预计门户（Gateway）设施将在一年中约有11个月没有人在船上。
　　这给门户（Gateway）项目带来了一些独特的挑战。在国际空间站上，宇航员花了大量的时间在空间站的维护上，但门户（Gateway）设施将不得不在没有任何直接人类援助的情况下长期维持自己的功能。
　　宇航员在国际空间站上做的事情就是需要门户（Gateway）设施可以自己来处理问题。该设施在操作模式上也有很大的不同。现在，国际空间站有一个全职的任务控制。有了门户（Gateway）设施，科学家们最终期望每周只有8小时的地面操作。国际空间站每天收到的维持其运行的数百条命令在门户（Gateway）设施上仍然是必要的，只是这些命令必须来自门户（Gateway）设施自身来处理，而不是来自地球上的人类。
　　与国际空间站相比，这是一种新的思维方式。如果门户（Gateway）设施上有什么东西坏了，宇航员必须能够忍受一定的时间，或者科学家必须有能力远程或自主地修复它。
　　为了实现这一目标，美国宇航局正在开发一个车辆系统管理器，或者简称为VSM，这个管理器将像几乎所有科幻小说中的星舰上的无所不在的计算机系统一样。VSM将自主管理门户（Gateway）设施的所有功能，也能处理任何出现的问题，以至于它们可以通过智能软件和偶尔来自遥远的人类的输入来管理。与国际空间站相比，这是一种新的思维方式，如果门户（Gateway）设施上的东西坏了，科学家们必须能够忍受一定的时间，或者他们必须有能力远程或自主地修复它。
　　虽然门户（Gateway）设施本身可以被认为是一种机器人，但通过专门的自动化系统可以合理有效地完成的工作是有限的，美国宇航局不得不在冗余度和复杂性及质量之间找到一个折中点。例如，关于门户（Gateway）设施的舱门是否应该自己打开和关闭的问题，有一些讨论，美国宇航局最终决定让舱门手动操作。但这并不一定意味着门户（Gateway）设施将不能在没有人类协助的情况下打开它的舱门；它只是意味着将需要机器人的手而不是人类的手打开。
　　宇航员希望最终他们的机器人能在上面打开舱门，门户（Gateway）设施在设计时考虑到了潜在的舱内机器人（IVRs），其中包括在重要位置添加视觉标记，在空间站内部放置方便的充电端口，以及设计舱门，使打开舱门所需的力量与机器人肢体的能力相匹配。门户（Gateway）设施的部分系统可能也是模块化的，如果有必要，能够由机器人拆除和替换。美国宇航局试图做的是对门户（Gateway）设施的设计做出明智的选择，不增加大量的重量，但会使机器人更容易在空间站内工作。
　　其在国际空间站的操纵任务板前的测试站
　　美国宇航局在舱内机器人（IVRs）方面已经有了大量的经验。Robonaut2，一个全尺寸的仿人机器人，从2011年开始在国际空间站待了几年，学习如何执行本来必须由人类宇航员完成的任务。最近，名为Astrobees的三个立方体、类似抽纸盒大小的自由飞行机器人已经在国际空间站上住了下来，在那里它们一直在试验自主感应和导航。美国宇航局的一个名为ISAAC（自主和适应性管理综合系统）的项目目前正在探索如何将像Astrobee这样的机器人用于门户（Gateway）设施上的各种任务，从监测空间站健康到自主转移货物，尽管至少在近期，门户（Gateway）设施的维护，如使用能够更换损坏部件的机器人，将比后勤类型的任务更重要。这一点，中国目前的机器手臂非常具有借鉴意义。中国的同行已经走在了前列。
　　中国空间站的自动机器手臂
　　另外像Robonaut2这样的通用移动机械手和像Astrobee这样的自由飞行器是一个很好的组合，而这种组合目前是门户（Gateway）设施的舱内机器人（IVRs）的一个一般概念。这并不是说最终出现在门户（Gateway）设施上的舱内机器人将看起来像在国际空间站上工作的机器人，但门户（Gateway）设施将受到国际空间站的启发，并将利用NASA迄今为止在国际空间站上的机器人获得的所有经验。拥有有限数量的专门机器人也可能是有用的。例如，如果有一个理由要到机架后面去，这个设施可能想要一个蛇型机器人来做这个。
　　虽然NASA正在积极准备门户（Gateway）设施上的舱内机器人，但这种机器人还不存在，而且该机构可能不会自己建造这些机器人，而是依靠行业合作伙伴提供符合NASA要求设计的机器人。在发射时，以及至少在最初的几年里，门户（Gateway）设施将不得不在没有内部机器人助手的情况下照顾自己。然而，门户（Gateway）设施的目标之一是在与地球完全没有任何联系的情况下完全自主地运行三周，它要模仿地球和火星之间为期三周的太阳会合，因为这其中太阳阻断了两个星球之间的任何通信。如果各国宇航局要求门户（Gateway）设施能够在21天内照顾好自己，舱内机器人（IVRs）将是其中非常重要的一部分。而拥有一个机器人绝对是向火星前进的过程中所必须的。
　　舱内机器人只是机器人团队的一半，要门户（Gateway）设施的长期自主运行，就必须要有机器人。空间站依靠复杂的外部基础设施提供动力、推进力、热控制以及更多。自2001年以来，国际空间站一直是机器手臂Canadarm2的家，它是一个17。6米长的机械臂，能够在空间站周围移动，抓取和操纵物体，同时受到来自空间站内或地面的人类控制。
　　国际空间站上的机器人（这个机器人被命名为Bumble）。
　　加拿大航天局与空间技术公司MDA合作，正在为门户（Gateway）设施开发一个新的机械臂系统，这个机械臂系统被称为Canadarm3，该手臂计划于2027年发射。Canadarm3将包括一个8。5米长的机械臂，用于抓取航天器和移动大型物体，以及一个更小、更灵巧的机械臂，它可用于精细任务。如果有必要，较小的手臂甚至可以修理较大的手臂。但真正使Canadarm3与其前身不同的是它的控制方式，Canadarm3的一个非常新颖的地方是它能够自主操作，不需要任何工作人员。这种能力依赖于新一代的软件和硬件，使机械臂具有触觉，以及在没有人类直接监督的情况下对其环境作出反应的能力。
　　即使门户（Gateway）设施将比国际空间站离地球远一千倍，增加的距离（约40万公里）并不是真正需要Canadarm3增加自主性的原因。令人惊讶的是，当科学家考虑到信号必须通过的各种地面站时，门户（Gateway）设施在其绕月轨道上的位置对地球的时间延迟与在低地球轨道上的时间延迟没有什么不同。通过Canadarm3，宇航员意识到，如果想为火星做好准备，门户（Gateway）设施和空间站将需要更多的自主权。
　　Canadarm3在门户（Gateway）设施上的自主任务将包括外部检查、卸载物流车、部署科学有效载荷，以及通过用备件交换损坏的部件来修复门户（Gateway）设施。后期，宇航员还将在门户（Gateway）设施部署一个科学后勤气闸和一个移动台，这些平台可用于将设备传入和传出门户（Gateway）设施。它将有可能部署外部科学，或将外部系统带入内部进行维修，以及让未来的内部机器人系统与Canadarm3合作。以上这些将是一件非常令人兴奋的事情。
　　尽管门户（Gateway）设施的机器人作为第一批居民需要额外的几年时间才能到达，但一旦动力和推进元件以及居住和后勤前哨站在2024年11月开始其月球轨道的旅程，该站将大部分自主运行。一些有效的科学载荷将随行，包括太阳物理学和空间天气实验。
　　不过，门户（Gateway）设施本身可以说是所有实验中最重要的。它的自主系统，无论是否体现在内部和外部机器人中，都将经历持续的测试，门户（Gateway）设施将需要证明自己，然后宇航员才准备好信任它的技术，把宇航员带到深空。除了能够在没有通信的情况下运行21天之外门户（Gateway）设施的最终要求之一是能够在没有任何船员访问的情况下运行长达三年之久。这是人类探索火星和其他地方所需要的自主性和可靠性水平。
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