SPHERES：從課堂作業到空間實驗

［譯者註：同步定位，執行，重定向試驗衛星(SPHERES－Synchronized Position Hold, Engage, Reorient, Experimental Satellites)]

三架在軌SHPERES衛星編隊在國際空間站(International Space Station) 中編隊飛行，看起來像來自《星球大戰》宇宙中的星際戰機飛行中隊。

想像你坐在教室里看《星球大戰》電影中的一個片段，同時你的教授布置下一個在宇宙空間飛行的作業。

這正是1999年發生在麻省理工學院（位於馬薩諸塞州劍橋市）工程學學生身上的一幕。

「在第一節課那天，我給學生們看盧克?天行者 (Luke Skywalker) 在千年隼號飛船上，與一個自由漂浮的機器人打鬥來練習原力的片段，」這門課的開課人、現今的NASA技術總管David Miller解釋道，「我說我想要三個，只是沒有爆能槍的，像這些能飛在太空梭或國際空間站中的機器人。隨後發生的事就眾所周知了。」

十七年後，那個名為 SPHERES (Synchronized Position Hold, Engage, Reorient, Experimental Satellites)的課堂項目，慶祝了一個來之不易的里程碑——在國際空間站科學研究十周年。

SPHERES: 前傳

SPHERES起初的設想的是作為一隊天基衛星去測試計算機程序 。這種電腦程序為搭載先進天文望遠鏡的航天器的編隊飛行，在軌衛星的維護和自動對接提供支持。

在2006年5月18日進行的第一次在軌測試之前，Miller 就已經意識到了 SPHERES也可以用於進行實驗。

Steve Sell，是一位在馬薩諸塞州波士頓的 Payload Sciences Inc. 公司工作的 SPHERES早期開發運營期間的項目經理。他回憶起Miller 進入後期開發小組時的情形：「計算機集成板上有一個可用的介面，Miller 博士挑戰我們去找到一個能將那個介面移到外面的辦法，這樣我們就可以在外面直接插到這個介面。我們成功了。」這個項目最後成為世界上一個出類拔萃的在軌地球研究實驗室，在這個研究設施里可以做一些互換實驗。

不是衛星！它是一個實驗平台！

Halo，如圖所見安裝在一個藍色的 SPHERES 衛星上，是 SPHERES上 最新的附加裝置。每一個Halo 附加裝置都包含有印刷電路板，並包在3-D 印刷塑料中，以及六個擴展介面——每個介面都帶電源，數據連接和計算能力。

來源：MIT

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NASA宇航員 Kjell Lindgren 和 日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)宇航員 KimiyaYui 錄製了液體在小水槽內的影像，這是SPHERES Slosh在國際空間站內做的微重力流體力學實驗的一部分。獲得的數據能幫助科學家改善未來航空器的燃料系統。來源：NASA

這些可更換附加裝置多種多樣。一個名為SPHERES Halo六邊形環狀構件，很像《星球大戰》宇宙中的TIE 戰機——被固定在衛星上以便以更加複雜的結構飛行，並可以比原來承載更多實驗。

另外一個引人注目的研究實驗就是 SPHERES Slosh，目的是了解對航天火箭液體燃料在空間中的運動。

Jose Benavides, NASA在加州矽谷的 埃姆斯研究中心（Ames Research Center） 的SPHERES項目經理說：「燃料在儲存罐內的晃動，會在火箭運行方向上施力太強的力將會使火箭離開航線，然後災難就會降臨。」

為了模擬晃動，兩架 SPHERES衛星操縱一個透明的容器，部分填充染了尤達綠（譯者註：《星球大戰》里的人物）的水；一架攝影機和感測器記錄著液體的運動。研究員們將實驗數據輸入到計算機模型中，使工程師們得以為航天和NASA的火星之旅設計更安全有效的火箭。

來源： NASA Ames

SPHERES Slosh 的研究主任Brandon Marsell 說：「我們是在歷史上首次證實了一些計算機模型，使我們可以預知航天器助推燃料罐中的液體運動，這對火箭技術的發展是作用巨大！」

接近你理想的機器人

在2011年9月，Smart SPHERES項目研究小組在衛星上加上了智能手機，將SPHERES轉化成具備能為宇航員或飛行管制員(flight controller)執行任務的機器人。這些任務對機組人員要麼太危險要麼太重複乏味，SPHERES使宇航員得以處理真正需要人工的任務。

這個項目測試了地面遙控衛星飛入空間站，並為飛行管制員(flight controller) 提供影像視頻，同時測試了機器人使用面部識別跟隨宇航員的能力。

VERTIGO定位衛星去向

(譯者註： 通用物體檢查的視覺估計和相對跟蹤 VERTIGO (Visual Estimation and Relative Tracking for Inspection of Generic Objects))

當機器人執行任務時遇見墜落的小行星或衛星，這些機器人就需要一個自動繞過物體的辦法。 SPHERES VERTIGO 研發出以視覺為基礎的導航軟體，並用安裝在每一個衛星上的立體攝影機和計算機來界定墜落物體。 SPHERES 隨後建立這個物體的3-D 數字模型，僅用這個模型SPHERES 就可以繞過障礙。

一個問題引發的學生空間競賽

當宇航員 Greg Chamitoff 從國際空間站返回時，他考察了 SPHERES 的軟體並了解到在不違反安全保證的情況下任何人都可以編寫這個軟體程序。

他問到「高中孩子也能編寫？」 Zero Robotics 競賽就這樣誕生了。

NASA宇航員 Scott Kelly在國際空間站(International Space Station) 用 SPHERES照片來源： NASA/ISS

全世界的學生小組根據一個特定的NASA挑戰開發電子遊戲程序代碼，該代碼可以用小的，像 SPHERES的衛星來運行。模擬實驗縮小範圍並最終選拔出可以在國際空間站上真實的 SPHERES 衛星上來運行參賽程序。

在SPHERES 的第八個年頭，這個競賽被證明是培養下一代科學家，探索家和工程師，並同時傳授真實與虛擬世界挑戰的可貴工具。

SPHERES 的遺產

在17年前的一個教室里， SPHERES 設施誕生了。如今計劃於2018年把一直以來進行的實驗移交給下一代飛行機器人——Astrobee，研究組成員展望將來，同時也慶祝由38位在軌宇航員進行的114次接近600小時實驗的成功。

NASA 埃姆斯研究中心將會像現在操作和維護 SPHERES 那樣對待Astrobee, Astrobee 是由改變遊戲規則發展項目（Game Changing Development Program）建立的，是NASA 航天航空技術部(Space Technology Mission Directorate) 和 人類航空與航天探索和運作部(Human Exploration and Operations Mission Directorate)的一部分，這兩個部都在華盛頓 NASA總部。 同樣 SPHERES 也是人類航空與航天探索和運作部(Human Exploration and Operations Mission Directorate)創立的。

或許這個多彩的，保齡球大小的 SPHERES衛星的最重要之處不是數據，也不是與Astobee 的相似之處，而是在於它誕生的課堂。Sell 說：「學生項目不意味著只屬學術範疇，課堂作業也能發揮偉大作用，這才是奇妙之處。」(校對：Mirai）

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