NASA-teknologien muliggør præcisionslanding uden en pilot

Nogle af de mest interessante steder at studere i vores solsystem findes i de mest ugæstfrie miljøer - men at lande på et hvilket som helst planetarisk legeme er allerede et risikabelt forslag. Med NASA planlægning af robot- og bemandede missioner til nye steder på Månen og Mars, undgåelse af landing på den stejle skråning af et krater eller i et kampestensfelt er afgørende for at hjælpe med at sikre en sikker landing for overfladeudforskning af andre verdener. For at forbedre landingssikkerheden, NASA udvikler og tester en række præcise landings- og fare-undgåelsesteknologier.

En kombination af lasersensorer, et kamera, en højhastighedscomputer, og sofistikerede algoritmer vil give rumfartøjer de kunstige øjne og analytiske evner til at finde et udpeget landingsområde, identificere potentielle farer, og justere kursen til det sikreste landingssted. Teknologierne udviklet under Safe and Precise Landing—Integrated Capabilities Evolution (SPLICE)-projektet inden for Space Technology Mission Directorate's Game Changing Development-program vil med tiden gøre det muligt for rumfartøjer at undgå kampesten, kratere, og mere inden for landingsområder, der er halvt så store som en fodboldbane, der allerede er målrettet som relativt sikker.

Tre af SPLICEs fire hovedundersystemer vil have deres første integrerede testflyvning på en Blue Origin New Shepard-raket under en kommende mission. Da rakettens booster vender tilbage til jorden, efter at have nået grænsen mellem jordens atmosfære og rummet, SPLICEs terræn relative navigation, navigation Doppler lidar, og nedstignings- og landingscomputer vil køre ombord på boosteren. Hver vil fungere på samme måde, som de vil, når de nærmer sig Månens overflade.

Den fjerde store SPLICE-komponent, en fare detektion lidar, vil blive testet i fremtiden via jord- og flytests.

Efter brødkrummer

Når et websted er valgt til udforskning, en del af overvejelsen er at sikre plads nok til, at et rumfartøj kan lande. Størrelsen af ​​området, kaldet landingsellipsen, afslører den upræcise karakter af ældre landingsteknologi. Det målrettede landingsområde for Apollo 11 i 1968 var cirka 11 miles gange 3 miles, og astronauter styrede landeren. Efterfølgende robotmissioner til Mars blev designet til autonome landinger. Viking ankom til den røde planet 10 år senere med en målellipse på 174 miles gange 62 miles.

Teknologien er blevet bedre, og efterfølgende autonome landingszoner faldt i størrelse. I 2012 Curiosity rover-landingsellipsen var nede på 12 miles gange 4 miles.

At være i stand til at udpege et landingssted vil hjælpe fremtidige missioner med at målrette områder for nye videnskabelige udforskninger på steder, der tidligere blev anset for at være for farlige til en upilotet landing. Det vil også gøre det muligt for avancerede forsyningsmissioner at sende last og forsyninger til et enkelt sted, i stedet for at sprede sig ud over miles.

Hver planetarisk krop har sine egne unikke forhold. Det er derfor, "SPLICE er designet til at integrere med ethvert rumfartøj, der lander på en planet eller måne, " sagde projektleder Ron Sostaric. Baseret på NASAs Johnson Space Center i Houston, Sostaric forklarede, at projektet spænder over flere centre på tværs af agenturet.

"Det, vi bygger, er et komplet nedstignings- og landingssystem, der vil fungere til fremtidige Artemis-missioner til Månen og kan tilpasses til Mars, " sagde han. "Vores opgave er at sætte de enkelte komponenter sammen og sørge for, at det fungerer som et fungerende system."

Atmosfæriske forhold kan variere, men processen med nedstigning og landing er den samme. SPLICE-computeren er programmeret til at aktivere terræn relativ navigation flere miles over jorden. Kameraet ombord fotograferer overfladen, tager op til 10 billeder hvert sekund. Disse føres løbende ind i computeren, som er forudindlæst med satellitbilleder af landingsfeltet og en database over kendte vartegn.

Algoritmer søger i realtidsbillederne efter de kendte funktioner for at bestemme rumfartøjets placering og navigere fartøjet sikkert til dets forventede landingspunkt. Det ligner at navigere via vartegn, som bygninger, frem for gadenavne.

På samme måde, terrænrelativ navigation identificerer, hvor rumfartøjet er, og sender denne information til vejlednings- og kontrolcomputeren, som er ansvarlig for at udføre flyvevejen til overfladen. Computeren ved cirka, hvornår rumfartøjet skal nærme sig sit mål, næsten som at lægge brødkrummer og så følge dem til den endelige destination.

Denne proces fortsætter indtil cirka fire miles over overfladen.

Laser navigation

At kende den nøjagtige position af et rumfartøj er afgørende for de beregninger, der er nødvendige for at planlægge og udføre en motoriseret nedstigning til præcis landing. Midtvejs gennem nedstigningen, computeren tænder for navigations-doppler-lidar for at måle hastigheds- og rækkeviddemålinger, der yderligere tilføjer den præcise navigationsinformation, der kommer fra terrænrelativ navigation. Lidar (lysdetektion og rækkevidde) fungerer stort set på samme måde som en radar, men bruger lysbølger i stedet for radiobølger. Tre laserstråler, hver så smal som en blyant, peger mod jorden. Lyset fra disse stråler preller fra overfladen, reflekterer tilbage mod rumfartøjet.

Rejsetiden og bølgelængden af ​​det reflekterede lys bruges til at beregne, hvor langt fartøjet er fra jorden, hvilken retning det går, og hvor hurtigt det bevæger sig. Disse beregninger foretages 20 gange i sekundet for alle tre laserstråler og føres ind i styrecomputeren.

Doppler lidar fungerer med succes på Jorden. Imidlertid, Farzin Amzajerdian, teknologiens medopfinder og hovedefterforsker fra NASAs Langley Research Center i Hampton, Virginia, er ansvarlig for at løse udfordringerne for brug i rummet.

"Der er stadig nogle ubekendte om, hvor meget signal der kommer fra Månens og Mars overflade, " sagde han. Hvis materiale på jorden ikke er særlig reflekterende, signalet tilbage til sensorerne vil være svagere. Men Amzajerdian er overbevist om, at lidar vil overgå radarteknologi, fordi laserfrekvensen er størrelsesordener større end radiobølger, som muliggør langt større præcision og mere effektiv sansning.

Den arbejdshest, der er ansvarlig for at administrere alle disse data, er nedstignings- og landingscomputeren. Navigationsdata fra sensorsystemerne føres til indbyggede algoritmer, som beregner nye veje til en præcis landing.

Computer Powerhouse

Nedstignings- og landingscomputeren synkroniserer funktionerne og datastyringen af ​​individuelle SPLICE-komponenter. Det skal også integreres problemfrit med de andre systemer på ethvert rumfartøj. Så, dette lille computerkraftværk forhindrer præcisionslandingsteknologierne i at overbelaste den primære flyvecomputer.

De beregningsmæssige behov, der blev identificeret tidligt, gjorde det klart, at eksisterende computere var utilstrækkelige. NASA's højtydende rumfartscomputerprocessor ville imødekomme efterspørgslen, men er stadig flere år fra færdiggørelsen. En midlertidig løsning var nødvendig for at gøre SPLICE klar til sin første suborbitale raketflyvningstest med Blue Origin på sin New Shepard-raket. Data fra den nye computers ydeevne vil hjælpe med at forme dens eventuelle udskiftning.

John Carson, den tekniske integrationschef for præcisionslanding, forklarede, at "surrogatcomputeren har meget lignende behandlingsteknologi, som informerer både om fremtidens højhastighedscomputerdesign, såvel som fremtidige integrationsindsatser for nedstignings- og landingscomputere."

Ser frem til, testmissioner som disse vil hjælpe med at forme sikre landingssystemer til missioner fra NASA og kommercielle udbydere på overfladen af ​​Månen og andre solsystemlegemer.

"Sikker og præcis landing på en anden verden har stadig mange udfordringer, " sagde Carson. "Der er endnu ingen kommerciel teknologi, som du kan gå ud og købe for dette. Enhver fremtidig overflademission kunne bruge denne præcisionslandingsevne, så NASA imødekommer det behov nu. Og vi fremmer overførslen og brugen sammen med vores branchepartnere."