Røntgennavigation overvejes til mulig CubeSat-mission

Nu hvor NASA har vist levedygtigheden af ​​autonom røntgennavigation i rummet, et hold ledet af Smithsonian Astrophysical Observatory planlægger at inkludere teknologien på en foreslået CubeSat-mission til Månen, og NASA-ingeniører studerer nu muligheden for at tilføje kapaciteten til fremtidige rumfartøjer til menneskelig udforskning.

Interessen for denne nye evne til at guide rumfartøjer til solsystemets fjerne områder kommer kun måneder efter NASA-forskeren Keith Gendreau og hans team ved agenturets Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, med succes demonstreret teknikken - almindeligvis kendt som XNAV - med et eksperiment kaldet Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, eller SEXTANT.

SEXTANT teknologi demonstrationen, som NASA's Space Technology Mission Directorate havde finansieret under sit Game Changing Development-program, fandt sted i slutningen af ​​sidste år og demonstrerede, at millisekunders pulsarer kunne bruges til nøjagtigt at bestemme placeringen af ​​et objekt, der bevæger sig med tusindvis af miles i timen i rummet. Disse pulsationer er meget forudsigelige, meget som de atomure, der bruges til at levere tidsdata på det allestedsnærværende GPS-system.

Under demonstrationen, SEXTANT udnyttede de 52 røntgenteleskoper og siliciumdriftdetektorer på NASA's Neutron-star Interior Composition Explorer, eller pænere, at detektere røntgenstråler fra fire millisekunders pulsarmål. Pulsarernes timingdata blev ført ind i indbyggede algoritmer, der autonomt genererede en navigationsløsning til placeringen af ​​NICER i kredsløb om Jorden.

Holdet forventes at udføre endnu en XNAV-demonstration senere på foråret for at se, om det kan forbedre teknologiens allerede imponerende nøjagtighed, sagde SEXTANT-projektleder Jason Mitchell, der arbejder hos Goddard.

Navigation Testbed

I en anden udvikling, der kunne udvide XNAV's brug, SEXTANT-teamet leverede for nylig en særlig testbed til Aeromechanics and Flight Mechanics Divisions Electro-Optics Lab ved NASA's Johnson Space Center i Houston. Holdet udviklede den unikke bordplade-enhed - nogle gange beskrevet som en 'pulsar på et bord' - til at simulere de lavstyrkesignaler, der modtages fra pulsarer. Målingerne opnået fra XNAV vil blive brugt til at teste algoritmer, der udvikles til fremtidige besætningsmissioner.

XNAV-sensorer komplementerer sensorer til optisk navigation (OpNav). Sammen, de kan tjene som en autonom navigationspakke til at hjælpe køretøjer i tilfælde af tab af kommunikation med jorden og for at lette navigationssporingsbyrden på NASA's Deep Space Network.

Mitchell sagde NASA's Lunar Orbital Platform-Gateway, hvor astronauter vil deltage i en række forskellige videnskaber, udforskning, og kommercielle aktiviteter i kredsløb om og på Månen, kunne anvende XNAV-funktioner.

CubeX:Karakterisering af måneoverfladen

Og i en anden udvikling, SEXTANT-teamet arbejder sammen med Suzanne Romaine, en videnskabsmand ved Smithsonian Astrophysical Observatory, og JaeSub Hong, en forsker ved Harvard University, at flyve XNAV på en CubeSat-mission kaldet CubeX.

"Dette er et skub for at flytte teknologien ind i driftstilstand, " sagde Mitchell, WHO, sammen med Gendreau, er en CubeX-samarbejdspartner. "Dette er en fantastisk mulighed for XNAV og viser dens værdi til at navigere i det dybe rum."

Som det i øjeblikket er udtænkt, den lille satellit ville samle timingdata fra listen over SEXTANT millisekundpulsarer ved hjælp af CubeX's miniature røntgenteleskop. En indbygget algoritme ville derefter bruge dataene til at bestemme rumfartøjets bane. Holdet ville sammenligne CubeX's løsning med den, der leveres af NASA's Deep Space Network, en kommunikations- og navigationsfunktion, der bruges af alle NASAs dybe rummissioner.

Demonstrering af XNAV på en operationel satellit, imidlertid, er ikke missionens eneste mål.

The other half of its mission will be spent measuring the composition of the Moon's lower crust and upper mantle to understand the origin and evolution of Earth's only natural satellite, which scientists believe may have formed when a huge collision tore off a chunk of Earth.

"There's a lot we don't know about the Moon. Many mysteries remain, " said Hong. A better understanding of the mantle layer could be key to determining how the Moon and the Earth formed. To get this information, CubeX would use a technique called X-ray fluorescence, or XRF.

XRF, which is widely used in science and industry applications, is based on the principle that when individual atoms in sediment, sten, and other materials are excited by an external energy source—in this case, X-rays emanating from the Sun—they emit their own X-rays that exhibit a characteristic energy or wavelength indicative of a specific element. This can be likened to how fingerprints can identify a specific person.

By capturing these "fluorescing" photons with a miniaturized X-ray optic and then analyzing them with an onboard spectrometer, scientists can discern which elements make up outcrops of the Moon's rocky mantle, which have been exposed by impact craters, and its crust, which overlays the mantle.

The mission would launch no earlier than 2023 to take advantage of the next solar maximum, which would assure a steady bombardment of high-energy X-rays to produce the fluorescence.