Впервые робот без участия астронавтов успешно собрал часть конструкции в космосе. Эта технология может radically изменить способы строительства крупных космических аппаратов и научных приборов.
Роботизированную систему создали исследователи из Калифорнийского технологического института (Калтех) на средства Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA). Она входит в программу DARPA Novel Orbital and Moon Manufacturing, Materials, and Mass-efficient Design (NOM4D), цель которой — найти способы изготавливать и собирать огромные конструкции прямо в космосе.
Вместо того чтобы полагаться на астронавтов, соединяющих детали вручную, робот с помощью автоматического манипулятора достаёт конструкционные трубки и соединительные узлы из расположенных рядом накопителей. Затем он собирает из них повторяющиеся секции, называемые отсеками, которые образуют более крупный несущий каркас — ферму.
«Впервые конструкция была автономно построена в космосе», — говорит Серхио Пеллегрино, профессор аэрокосмической и гражданской инженерии имени Джойс и Крента Креса, обладатель кафедры лидерства в аэрокосмической области имени Линн Бут и Кента Креса (Lynn Booth and Kent Kresa Department of Aerospace Leadership Chair), исполнительный директор по аэрокосмическому направлению и старший научный сотрудник JPL — лаборатории, которой Калтех управляет по заказу NASA.
Исторический шаг к строительству гигантских конструкций в космосе
Пеллегрино руководит демонстрационным проектом Калтеха ASTRA (Autonomous In-Space Tensioned Reflector Assembly) — автономной сборки в космосе рефлектора с натяжными элементами. Роботизированная система провела на орбите полгода, пытаясь построить антенну-рефлектор диаметром 1,4 метра. В её конструкции сочетаются трубки из композитного волокна, алюминиевые соединители и лёгкая отражающая поверхность из каптона — прочной полимерной плёнки, которую часто применяют в космической технике.
В DARPA сравнивают процесс сборки со строительством из усовершенствованных версий конструкторов K'Nex или Tinkertoy. Однако заставить робота надёжно выполнять те же операции в суровых условиях космоса — гораздо более сложная инженерная задача.
Команда столкнулась с техническими трудностями и ограничениями по срокам, из-за которых не смогла завершить всю антенну. Тем не менее робот успешно собрал первую секцию, подтвердив, что такой способ строительства может работать на орбите. Исследователи считают, что тот же базовый подход со временем позволит создавать значительно более крупные каркасы с огромными отражающими поверхностями.
Орбитальный эксперимент стал третьим этапом исследовательской программы DARPA. На первых двух этапах исследователи Калтеха разработали концепцию строительства, проработали инженерное решение и проверили его работу в лабораторных экспериментах на Земле. После этого у команды оказалось менее 12 месяцев, чтобы изготовить и испытать космическое оборудование и передать его компании Momentus Inc., которая разместила полезную нагрузку на своём аппарате.
«Создать полезную нагрузку такой сложности за столь короткий срок было для нашей небольшой команды огромной задачей», — говорит Пеллегрино, который также является сопdirectором проекта Space Solar Power Project. Его цель — получать солнечную энергию в космосе и передавать её на поверхность Земли без проводов. «Теперь, когда миссия подходит к концу, мы наконец можем начать думать о новых направлениях исследований, которые открыла эта демонстрация».
Зачем учёным огромные конструкции на орбите
Возможность собирать крупные конструкции прямо в космосе может преобразить астрономию, связь и космические энергетические системы.
Например, будущие телескопы смогут использовать огромные отражающие поверхности, чтобы собирать больше света и наблюдать за очень далёкими объектами. Аналогичные конструкции могли бы нести мощные радиоантенны, позволяя учёным и инженерам создавать системы связи гораздо крупнее тех, что можно запустить сегодня.
Одно из главных препятствий — ограниченное пространство внутри головного обтекателя ракеты, защитной оболочки, окружающей полезную нагрузку во время запуска. Каким бы амбициозным ни был проект космического аппарата, его компоненты должны как-то поместиться в этом тесном объёме.
Традиционно инженеры решали эту проблему двумя способами. Они либо складывали крупные конструкции в компактные упаковки, которые раскрываются после выхода на орбиту, либо запускали отдельные компоненты, а астронавты собирали их в космосе. Оба подхода накладывают практические ограничения на размер и сложность готовой конструкции.
Роботизированное строительство даёт третий вариант. Вместо того чтобы размещать огромный телескоп или антенну внутри ракеты, инженеры могли бы вывести на орбиту материалы для неё и собрать всю систему там.
План DARPA по созданию космических конструкций километрового масштаба
Как сказано на сайте программы, DARPA учредило NOM4D в 2022 году, чтобы исследовать технологии, которые в перспективе позволят «доставлять с Земли сырьё для производства на орбите».
Эксперимент Калтеха ASTRA — один из двух проектов, отобранных для третьего этапа программы, на котором строительные технологии демонстрируются на орбите.
Другой проект, возглавляемый Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне, будет использовать модуль, закреплённый на Международной космической станции, чтобы изучить способ отверждения углеродных трубок в космосе. Это может стать ещё одним способом изготавливать конструкционные элементы, не выполняя все этапы на Земле.
«Цель NOM4D — сделать возможным эффективное и масштабируемое строительство очень больших конструкций в космосе, — заявил в письменном комментарии Эндрю Детор, руководитель программы NOM4D в DARPA. — Под „очень большими“ я имею в виду сотни метров или километры. Ничего даже близкого к такому масштабу сегодня достичь невозможно».
Такие конструкции со временем могли бы достигать в длину нескольких футбольных полей или даже километров, что намного превышает размеры обычных космических аппаратов.
Как строительный робот Калтеха попал в космос
Путь ASTRA начался 30 марта 2026 года: ранним утром с базы космических сил США Ванденберг в Калифорнии стартовала миссия SpaceX Transporter-16.
Робот летел на борту орбитального аппарата Vigoride 7 компании Momentus Inc., который вывел на низкую околоземную орбиту 10 отдельных полезных нагрузок. ASTRA занимала примерно один кубический метр — компактный блок, в котором находились и сборочный механизм, и материалы для строительства.
Внутри были две заранее собранные секции фермы, усиленные диагональными трубками и соединительными узлами. В состав полезной нагрузки также входили роботизированный манипулятор и моторизованные накопители с деталями, необходимыми для строительства остальных секций.
Успешный запуск стал эмоциональным моментом для небольшой команды инженеров, наблюдавшей за ним с Земли. Джейден Су, бывший постдок Калтеха, а ныне доцент Техасского университета в Остине, не сдержал слёз, когда аппарат с работой его команды отправился на орбиту.
«В детстве мне было очень интересно всё, что связано с космическими конструкциями. Как и многие другие инженеры в этой области, я всю жизнь мечтал отправить своё изобретение в космос, — говорит Су. — Мне очень повезло: я смог работать над этим проектом с самого начала. Многие мои первоначальные идеи воплощены в этой системе, и видеть, как она оказалась в космосе, было невероятно».
Строительство конструкции в сотнях миль над Землёй
Когда ASTRA вышла на орбиту, исследователи начали управлять системой, передавая команды на её бортовой компьютер через аппарат Vigoride.
Первые шаги заключались в освобождении механизмов, которые удерживали компоненты во время запуска. Затем робот выдвинул из аппарата две заранее собранные секции фермы и приступил к строительству третьей с помощью бортовой сборочной системы.
Командами для строительства с Земли управляли три члена команды: Чарльз Соммер, бывший системный инженер Калтеха; Алан Труонг, научный инженер Калтеха; и аспирантка Тара Венкатадри (магистр, 2024).
Хотя робот выполнял сборку автоматически, исследователи следили за ходом работы по фотографиям, передаваемым с орбиты. Когда что-то шло не так, они изучали снимки, корректировали инструкции и повторяли операцию.
Эти неудачи были важной частью выяснения того, может ли технология работать за пределами контролируемой лаборатории.
«Именно для этого и проводят испытания концепции. Условия в космосе во многом отличаются от земных, — объясняет Су. — Всегда есть множество мелких сюрпризов».
Решение неожиданных проблем с Земли
Чтобы диагностировать неполадки на орбите, инженеры использовали вторую систему ASTRA, которая находится в лаборатории Пеллегрино в Калтехе. Эта резервная копия, так называемый лётный запасной экземпляр, позволяла исследователям воспроизводить трудности, с которыми сталкивался космический робот, и пробовать возможные решения.
«Каждый раз, когда мы подтверждаем, что в космосе возникла проблема, мы идём в лабораторию и пытаемся воспроизвести её на Земле», — говорит Соммер.
Ограничения связи сильно осложняли поиск неисправностей. Команда могла связываться с ASTRA лишь в течение примерно семи-восьми коротких периодов в сутки, каждый из которых длился около 15 минут.
Поэтому инженерам приходилось максимально эффективно использовать эти ограниченные сеансы связи. С помощью лабораторного двойника они изучали проблемы, оценивали разные решения и определяли, какие изменения вероятнее всего сработают. Когда решение было готово, они отправляли роботу на орбите обновлённые инструкции.
Такой подход помог команде справиться с многочисленными неожиданными трудностями и собрать ценную информацию о том, что потребуется будущим автономным строительным системам, чтобы работать надёжнее.
Как робот собирает космическую антенну
Планируемый процесс строительства в ASTRA состоит из повторяющейся последовательности тщательно согласованных движений.
Сначала роботизированный манипулятор достаёт конструкционные элементы из накопителей. Он располагает трубки и соединительные узлы на сборочной плите и соединяет их, создавая новый отсек фермы.
Когда каркас собран, робот должен прикрепить к нему тонкую отражающую плёнку с множеством крошечных отверстий. Из этого материала формируются две отражающие тросовые сетки, которые пружины удерживают в натяжении друг относительно друга, помогая получившейся поверхности сохранять нужную форму.
Эту особую плёнку совместно изобрели исследователи Калтеха и Пенсильванского университета, где команду-партнёра возглавлял профессор Игорь Баргатин.
В отличие от вязаной металлической сетки, которую обычно применяют в рефлекторах, предназначенных для складывания и раскрытия, перфорированной плёнке для сохранения формы требуется меньшее натяжение. Это позволяет инженерам уменьшить объём необходимой несущей конструкции и потенциально сделать всю сборку заметно легче.
Малый вес особенно ценен в космической технике, потому что каждый лишний килограмм повышает требования к ракете-носителю.
Когда отсек завершён и его отражающие компоненты подготовлены, роботизированная система выдвигает готовую секцию наружу, в космос, и начинает собирать следующий отсек.
Полный проект антенны ASTRA предполагает 11 соединённых отсеков, каждый из которых крепится к отражающим сеткам и выдвигается наружу от сборочной системы.
Небольшая демонстрация с огромными последствиями
Несмотря на успешную демонстрацию метода строительства, исследователи не рассчитывают, что ASTRA соберёт все 11 отсеков до завершения миссии в декабре.
Эксперимент показал несколько способов упростить и улучшить роботизированное оборудование и процедуру сборки. Даже без законченной антенны команда считает, что собрала достаточно данных, чтобы утверждать: такой подход технически осуществим.
Значение этого результата выходит далеко за рамки сравнительно небольшой антенны, использованной в демонстрации.
Будущие роботизированные строительные системы могли бы помочь учёным создавать гигантские космические телескопы, собирающие больше света, радиоантенны для современных систем связи и огромные солнечные батареи для улавливания солнечного света на орбите.
Такие солнечные энергосистемы потенциально могли бы передавать собранную энергию по беспроводному каналу на приёмники на Земле — эту идею изучают в рамках проекта Калтеха Space Solar Power Project.
В более широком смысле успешное испытание говорит о том, что размер будущей космической инфраструктуры, возможно, не всегда будет определяться габаритами ракет, которые выводят её компоненты на орбиту.
«Когда вы достигаете предела размеров, при котором конструкции нельзя заранее построить на Земле и раскрыть в космосе, нужно думать, как строить их на орбите, — говорит Пеллегрино. — Так что эта работа может быть полезна не только для астрономии и астрофизики, но и для связи и других областей, например для создания очень больших солнечных батарей для космической солнечной энергетики».