SPHERES：从课堂作业到空间实验

　　

　　 ［译者注：同步定位，执行，重定向试验卫星(SPHERES－Synchronized Position Hold, Engage, Reorient, Experimental Satellites)]

　　 三架在轨SHPERES卫星编队在国际空间站(International Space Station) 中编队飞行，看起来像来自《星球大战》宇宙中的星际战机飞行中队。

想象你坐在教室里看《星球大战》电影中的一个片段，同时你的教授布置下一个在宇宙空间飞行的作业。

这正是1999年发生在麻省理工学院（位于马萨诸塞州剑桥市）工程学学生身上的一幕。

“在第一节课那天，我给学生们看卢克?天行者 (Luke Skywalker) 在千年隼号飞船上，与一个自由漂浮的机器人打斗来练习原力的片段，”这门课的开课人、现今的NASA技术总管David Miller解释道，“我说我想要三个，只是没有爆能枪的，像这些能飞在航天飞机或国际空间站中的机器人。随后发生的事就众所周知了。”

十七年后，那个名为 SPHERES (Synchronized Position Hold, Engage, Reorient, Experimental Satellites)的课堂项目，庆祝了一个来之不易的里程碑――在国际空间站科学研究十周年。

　　 SPHERES: 前传

SPHERES起初的设想的是作为一队天基卫星去测试计算机程序 。这种电脑程序为搭载先进天文望远镜的航天器的编队飞行，在轨卫星的维护和自动对接提供支持。

在2006年5月18日进行的第一次在轨测试之前，Miller 就已经意识到了 SPHERES也可以用于进行实验。

Steve Sell，是一位在马萨诸塞州波士顿的 Payload Sciences Inc. 公司工作的 SPHERES早期开发运营期间的项目经理。他回忆起Miller 进入后期开发小组时的情形：“计算机集成板上有一个可用的接口，Miller 博士挑战我们去找到一个能将那个接口移到外面的办法，这样我们就可以在外面直接插到这个接口。我们成功了。”这个项目最后成为世界上一个出类拔萃的在轨地球研究实验室，在这个研究设施里可以做一些互换实验。

　　 不是卫星！它是一个实验平台！

　　

　　 Halo，如图所见安装在一个蓝色的 SPHERES 卫星上，是 SPHERES上 最新的附加装置。每一个Halo 附加装置都包含有印刷电路板，并包在3-D 印刷塑料中，以及六个扩展接口――每个接口都带电源，数据连接和计算能力。

　　 来源：MIT

　　

　　 NASA宇航员 Kjell Lindgren 和 日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)宇航员 KimiyaYui 录制了液体在小水槽内的影像，这是SPHERES Slosh在国际空间站内做的微重力流体力学实验的一部分。获得的数据能帮助科学家改善未来航空器的燃料系统。来源：NASA

这些可更换附加装置多种多样。一个名为SPHERES Halo六边形环状构件，很像《星球大战》宇宙中的TIE 战机――被固定在卫星上以便以更加复杂的结构飞行，并可以比原来承载更多实验。

另外一个引人注目的研究实验就是 SPHERES Slosh，目的是了解对航天火箭液体燃料在空间中的运动。

Jose Benavides, NASA在加州硅谷的 埃姆斯研究中心（Ames Research Center） 的SPHERES项目经理说：“燃料在储存罐内的晃动，会在火箭运行方向上施力太强的力将会使火箭离开航线，然后灾难就会降临。”

为了模拟晃动，两架 SPHERES卫星操纵一个透明的容器，部分填充染了尤达绿（译者注：《星球大战》里的人物）的水；一架摄影机和传感器记录着液体的运动。研究员们将实验数据输入到计算机模型中，使工程师们得以为航天和NASA的火星之旅设计更安全有效的火箭。

　　

　　 来源： NASA Ames

SPHERES Slosh 的研究主任Brandon Marsell 说：“我们是在历史上首次证实了一些计算机模型，使我们可以预知航天器助推燃料罐中的液体运动，这对火箭技术的发展是作用巨大！”

　　 接近你理想的机器人

　　在2011年9月，Smart SPHERES项目研究小组在卫星上加上了智能手机，将SPHERES转化成 具备能为宇航员或飞行管制员(flight controller)执行任务的机器人。这些任务对机组人员要么太危险要么太重复乏味，SPHERES使宇航员得以处理真正需要人工的任务。

这个项目测试了地面遥控卫星飞入空间站，并为飞行管制员(flight controller) 提供影像视频，同时测试了机器人使用面部识别跟随宇航员的能力。

　　 VERTIGO定位卫星去向

(译者注： 通用物体检查的视觉估计和相对跟踪 VERTIGO (Visual Estimation and Relative Tracking for Inspection of Generic Objects))

当机器人执行任务时遇见坠落的小行星或卫星，这些机器人就需要一个自动绕过物体的办法。 SPHERES VERTIGO 研发出以视觉为基础的导航软件，并用安装在每一个卫星上的立体摄影机和计算机来界定坠落物体。 SPHERES 随后建立这个物体的3-D 数字模型，仅用这个模型SPHERES 就可以绕过障碍。

　　 一个问题引发的学生空间竞赛

当宇航员 Greg Chamitoff 从国际空间站返回时，他考察了 SPHERES 的软件并了解到在不违反安全保证的情况下任何人都可以编写这个软件程序。

他问到“高中孩子也能编写？” Zero Robotics 竞赛就这样诞生了。

　　

　　 NASA宇航员 Scott Kelly在国际空间站(International Space Station) 用 SPHERES 照片来源： NASA/ISS

全世界的学生小组根据一个特定的NASA挑战开发电子游戏程序代码，该代码可以用小的，像 SPHERES的卫星来运行。模拟实验缩小范围并最终选拔出可以在国际空间站上真实的 SPHERES 卫星上来运行参赛程序。

在SPHERES 的第八个年头，这个竞赛被证明是培养下一代科学家，探索家和工程师，并同时传授真实与虚拟世界挑战的可贵工具。

　　 SPHERES 的遗产

在17年前的一个教室里， SPHERES 设施诞生了。如今计划于2018年把一直以来进行的实验移交给下一代飞行机器人――Astrobee，研究组成员展望将来，同时也庆祝由38位在轨宇航员进行的114次接近600小时实验的成功。

NASA 埃姆斯研究中心将会像现在操作和维护 SPHERES 那样对待Astrobee, Astrobee 是由改变游戏规则发展项目（Game Changing Development Program）建立的，是NASA 航天航空技术部(Space Technology Mission Directorate) 和 人类航空与航天探索和运作部(Human Exploration and Operations Mission Directorate)的一部分，这两个部都在华盛顿 NASA总部。 同样 SPHERES 也是人类航空与航天探索和运作部(Human Exploration and Operations Mission Directorate)创立的。

　　或许这个多彩的，保龄球大小的 SPHERES卫星的最重要之处不是数据，也不是与Astobee 的相似之处，而是在于它诞生的课堂。Sell 说：“学生项目不意味着只属学术范畴，课堂作业也能发挥伟大作用，这才是奇妙之处。”( 校对：Mirai ）