От луноходов к космороботам: как меняется космическая инженерия

Ответ все чаще звучит одинаково — роботы. Однако сами по себе они не появляются. Прежде чем отправиться на орбиту, каждый такой робот проходит долгий путь — от идеи и первых инженерных расчетов до стендовых испытаний и сложнейших алгоритмов управления. За всем этим стоят люди, которые редко оказываются в центре внимания, но именно от их работы зависит, сможет ли новая технология однажды выйти за пределы Земли.

Именно поэтому сегодня космическая робототехника считается одним из самых быстрорастущих направлений мировой космонавтики: антропоморфные помощники, интеллектуальные манипуляторы, системы дистанционного управления и алгоритмы искусственного интеллекта постепенно превращаются из экспериментальных разработок в обязательный элемент будущих космических миссий. По мере создания Российской орбитальной станции, разработки транспортных кораблей нового поколения и подготовки перспективных лунных программ потребность в инженерах, способных проектировать подобные системы, будет только увеличиваться. Иными словами, речь идет уже не о профессии будущего — она востребована сегодня.

Но каким должен быть специалист, которому доверят создание космического робота? Какие знания необходимо получить, чтобы участвовать в разработке технологий для орбитальных станций и будущих экспедиций? И можно ли еще в университете стать частью проектов, которые определят развитие отечественной космонавтики на десятилетия вперед?

Разобраться в этом помог доктор технических наук, профессор института № 6 «Аэрокосмический» Московского авиационного института Александр Белявский в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий. Под его научным руководством Герой России, космонавт Анна Кикина защитила кандидатскую диссертацию, посвященную разработке методов повышения точности управления перспективной антропоморфной робототехнической системой. Эта работа стала не финальной точкой исследования, а частью большого научного направления, которое продолжает развиваться и сегодня, открывая новые возможности для будущих инженеров.

От луноходов до космороботов

Профессия разработчика космической робототехники появилась не вчера. Ее история началась задолго до того, как человечество заговорило об искусственном интеллекте и человекоподобных роботах.

В 1970 году советский «Луноход-1» стал первым в мире самоходным аппаратом, успешно работавшим на поверхности другого небесного тела. Затем появились автоматические межпланетные станции, системы автоматической стыковки, орбитальные манипуляторы, роботизированные комплексы обслуживания космических аппаратов. Каждая новая технология требовала инженеров, способных решать задачи, которых еще не существовало в университетских учебниках.

Сегодня космическая робототехника переживает, пожалуй, самый интересный этап своего развития. Если раньше машина должна была безошибочно выполнять заранее заложенную последовательность команд, то теперь ей предстоит стать полноценным помощником человека. Она должна воспринимать окружающую обстановку, работать с объектами различной формы, взаимодействовать с оператором и выполнять сложные операции в условиях, где цена ошибки чрезвычайно высока. 

Изменилась и сама профессия. Современному инженеру уже недостаточно быть только конструктором или программистом. Создание космического робота требует знаний в области механики, электроники, систем управления, искусственного интеллекта, математического моделирования, технического зрения, эргономики и психологии взаимодействия человека с машиной. Именно такие специалисты сегодня создают технологии, без которых невозможно представить следующую эпоху освоения космоса.

Робот, который становится напарником космонавта

Когда же речь заходит о космических роботах, многие представляют человекоподобную машину, которая однажды полностью заменит космонавта. В действительности мировая космонавтика развивается совсем по другому сценарию. Главная задача инженеров — не заменить человека, а расширить его возможности.

Так, во время длительных космических экспедиций экипаж ежедневно выполняет десятки однотипных операций: обслуживает оборудование, проводит эксперименты, контролирует работу систем, переключает аппаратуру, готовит рабочие места для научных исследований. Все это требует огромных затрат времени — самого ценного ресурса на орбите. В перспективе значительную часть подобных операций смогут выполнять антропоморфные робототехнические комплексы. Они не просто исполняют заранее записанную программу. Такие системы проектируются как полноценные помощники человека, способные работать рядом с экипажем, повторять действия оператора, а при необходимости самостоятельно выполнять типовые операции.

Особенно актуальной эта задача становится в связи с развитием Российской орбитальной станции. В отличие от Международной космической станции, архитектура РОС предусматривает различные режимы эксплуатации. Это означает, что часть работ между экспедициями смогут выполнять интеллектуальные роботизированные системы: поддерживать работоспособность оборудования, проводить диагностику, готовить станцию к прибытию экипажа. Аналогичные решения рассматриваются и применительно к будущим лунным экспедициям. Именно здесь возникает задача, которую решила исследовать Анна Кикина.

На Земле человек способен мгновенно скорректировать движение руки, если промахнулся мимо кнопки или рычага. Робот так действовать не может. Он выполняет команду настолько точно, насколько точно инженеры научили его это делать. А в космосе даже минимальная ошибка может привести к срыву дорогостоящей операции. Именно поэтому кандидатская диссертация Анны Кикиной была посвящена разработке расчетно-экспериментального метода, позволяющего значительно повысить точность позиционирования исполнительных органов антропоморфной робототехнической системы. Если перевести это с языка научных терминов, речь идет о том, как научить робота максимально точно повторять действия человека и уверенно выполнять сложные операции в условиях космического полета.

— Самое сложное в современной робототехнике — научить машину работать не вместо человека, а вместе с ним. Робот должен стать продолжением возможностей оператора. Только тогда подобные системы смогут выполнять действительно ответственные задачи в космосе, — отмечает Александр Белявский.

Эта работа важна не только как научное исследование. Она показывает, каким сегодня становится путь инженера в космической отрасли. Еще несколько десятилетий назад многие разработки создавались внутри закрытых конструкторских бюро. Сегодня же все чаще фундаментальные исследования рождаются в университетах, где студенты и аспиранты работают над реальными задачами вместе с предприятиями отрасли и научными организациями.

Именно поэтому пример Анны Кикиной интересен не только ее космической биографией. После первого полета она не поставила точку в профессиональном развитии, а вернулась к научной работе, чтобы решать инженерные задачи, от которых во многом зависит будущее пилотируемой космонавтики. Такой путь становится все более характерным для современной отрасли: практический опыт превращается в новые технологии, а научные исследования — в реальные инженерные решения.

Инженер новой космической эпохи

Космическая робототехника сегодня считается одним из самых быстрорастущих направлений мировой космической индустрии. Это связано не только с развитием пилотируемых программ. Роботизированные комплексы становятся необходимыми практически для всех современных космических проектов — от обслуживания орбитальных станций до исследования Луны и дальнего космоса.

Поэтому предприятиям отрасли требуются специалисты самых разных направлений. Помимо конструкторов, сегодня особенно востребованы инженеры по системам управления, программисты встроенного программного обеспечения, специалисты по машинному зрению, искусственному интеллекту, цифровому моделированию, испытатели робототехнических комплексов, разработчики приводов, датчиков и интеллектуальных систем управления. Особенность этой профессии заключается в том, что она практически никогда не ограничивается одной специальностью.

Чтобы создать космического робота, инженер должен понимать, как устроена механика движения, каким образом работают системы технического зрения, как обрабатываются сигналы датчиков, каким образом принимаются решения алгоритмами управления и как человек взаимодействует с машиной в экстремальных условиях.

— Сегодня невозможно сказать: «Я только механик» или «Я только программист». Космическая робототехника заставляет инженера постоянно расширять свои компетенции. Именно на стыке разных дисциплин появляются самые интересные решения, — говорит Александр Белявский.

Поэтому обучение будущих разработчиков начинается с фундаментальной подготовки. Будущему инженеру необходимы сильные знания по математике, физике и информатике — именно эти предметы становятся основой при поступлении на инженерные направления. Затем появляются программирование, теория автоматического управления, робототехника, электроника, сопротивление материалов, цифровое моделирование, основы искусственного интеллекта и десятки других дисциплин, каждая из которых становится частью будущей профессии.

Но, по словам Александра Белявского, диплом сам по себе еще не делает человека инженером.

— Главное качество, которое необходимо молодому специалисту, — любознательность. Технологии меняются очень быстро. Поэтому успешным становится не тот, кто однажды все выучил, а тот, кто продолжает учиться всю профессиональную жизнь. Именно такие люди сегодня двигают космическую отрасль вперед, — подчеркивает профессор МАИ.

При этом путь в профессию начинается значительно раньше первого рабочего дня.

Например, в МАИ студентов с первых курсов вовлекают в реальные исследования, работу научных лабораторий и проекты индустриальных партнеров. Именно здесь появляется возможность не просто изучать готовые технологии, а участвовать в создании новых инженерных решений. Для многих именно университет становится первым местом, где идеи начинают превращаться в реальные разработки.

Почему именно сейчас — лучшее время идти в профессию?

За последние несколько лет мировая космонавтика вновь вступила в период стремительного развития. Страны строят новые орбитальные станции, разрабатывают сверхтяжелые ракеты, создают транспортные корабли нового поколения и готовятся к освоению Луны.

Но чем сложнее становятся космические миссии, тем больше задач необходимо передавать интеллектуальным роботизированным системам.

— По сути, человечество постепенно переходит от эпохи, когда роботы выполняли отдельные команды, к эпохе, когда они становятся полноценными участниками космических экспедиций. Именно поэтому специалисты по космической робототехнике будут определять развитие отрасли в ближайшие десятилетия, — отмечает Александр Белявский.

При этом исследования, подобные работе Анны Кикиной, — лишь один из этапов большой инженерной истории. Разработанный расчетно-экспериментальный метод стал частью научной базы, на основе которой продолжается совершенствование отечественных антропоморфных робототехнических систем. Иными словами, проект не завершился защитой диссертации — он продолжает развиваться.

— В инженерии практически не бывает финальной версии технологии. Каждая новая работа становится основой для следующего этапа исследований. Именно поэтому студент, который сегодня приходит в лабораторию, вполне может стать человеком, чьи разработки будут использоваться в космосе через десять или пятнадцать лет, — уверен Александр Белявский.

В этом и заключается главное преимущество инженерной профессии. Да, результат своего труда инженер редко видит сразу. Да, иногда между первой идеей и ее применением проходят годы. Но именно так появляются технологии, которые потом определяют развитие целых отраслей. Когда-то такими прорывами стали первые автоматические станции, «Луноходы», системы автоматической стыковки космических аппаратов. Сегодня к ним постепенно присоединяются антропоморфные робототехнические комплексы, которым предстоит стать незаменимыми помощниками человека в космосе. И вполне возможно, что один из них однажды будет выполнять свою работу на орбите или на поверхности Луны благодаря инженеру, который сегодня только выбирает будущую профессию.

МАИ

29 статей

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) ведёт свою историю с 20 марта 1930 года. Сегодня МАИ – ведущий высокотехнологичный вуз России, обеспечивающий подготовку инженерных кадров и проведение передовых научных исследований мирового уровня. В 2021 г. программа развития Московского авиационного института прошла отбор в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». МАИ вошёл в первую группу университетов по треку «Территориальное и (или) отраслевое лидерство» программы «Приоритет 2030».

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram