Team udvikler satellitter, der reparerer andre satellitter

Når satellitter går i stykker, hvilket er overraskende ofte, der er ikke meget du kan gøre ved dem.

De bliver dyre og farlige slam, kredser om Jorden i årevis eller generationer, indtil tyngdekraften til sidst trækker dem til en brændende død i atmosfæren.

Professor Ou Ma ved University of Cincinnati udvikler robotteknologi til at fikse satellitter i kredsløb i hans Intelligent Robotics and Autonomous Systems Lab. Han forestiller sig robotsatellitter, der kan docke med andre satellitter til reparationer eller tankning.

Ma sagde, at en million ting kan gå galt med hver satellitopsendelse. Men for de fleste af disse fejl, intet kan gøres, når først satellitten er indsat.

En $400 millioner Intelsat-satellit på størrelse med en lille skolebus fejlede i år efter at have nået en høj elliptisk bane, ifølge SpaceNews. Nogle få af de første 60 Starlink-satellitter opsendt af SpaceX fungerede også i år, men deres lave kredsløb om Jorden er designet til at henfalde til glemsel på få år.

Måske den mest berømte satellitfejl nogensinde opstod i 1990, da Hubble-rumteleskopet kun blev indsat for NASA for at opdage, at dets dyre spejl var skævt. En efterfølgende reparationsmission ombord på rumfærgen Endeavour i 1993 erstattede spejlet for at give forbløffende billeder af universet.

Det er uoverkommeligt dyrt at sende mennesker til rummet til satellitreparationer, sagde mor. Fire efterfølgende Hubble-tjenestemissioner, der kostede milliarder af dollars tilsammen, blev udført af astronauter fra rumfærgen.

Defekte satellitter har forfulgt de fleste internationale rumprogrammer fra Japan til Rusland. Problemet er ikke begrænset til jordens kredsløb. I 1999 en NASA orbiter styrtede ind på Mars, fordi ingeniører brugte pund i stedet for metriske newtons i thruster-software. Thrusterne affyrede med fire gange mindre kraft end forventet, og rumfartøjets kredsløb var kritisk lavt.

Manglende evne til at reparere satellitter bliver en mere presserende bekymring med hver opsendelse, sagde mor.

"Store kommercielle satellitter er dyre. De løber tør for brændstof eller fungerer dårligt eller går i stykker, " sagde mor. "De vil gerne være i stand til at gå derop og ordne det, men i dag er det umuligt."

Det håber NASA at ændre på. I 2022, agenturet vil opsende en satellit, der er i stand til at tanke andre satellitter i lav kredsløb om jorden. Målet er at opsnappe og tanke en amerikansk regeringssatellit. Projektet kaldet Restore-L forventes at give proof of concept for autonome satellitreparationer, sagde NASA.

Et Colorado-firma kaldet Maxar leverer rumfartøjets infrastruktur og robotarme til projektet.

De fleste satellitter går i stå, fordi de opbruger deres brændstofforsyning – ikke på grund af en kritisk funktionsfejl, sagde John Lymer, chefrobotiker for Maxar. Alene tankning ville være en velsignelse for industrien, han sagde.

"Du trækker en perfekt satellit tilbage, fordi den løb tør for gas, " han sagde.

Lymer sagde, at han er bekendt med det arbejde, Ma udfører i sit Intelligent Robotics and Autonomous Systems Lab.

"O mor, som jeg har arbejdet med i mange år, arbejder med rendezvous og nærhedsorganisation. Der findes alle mulige tekniske løsninger derude. Nogle vil være bedre end andre. Det handler om at få driftserfaring for at finde ud af, hvis algoritmer er bedre, og hvad der reducerer operationel risiko mest."

Lymer sagde, at industrien er klar til at tage fart, skabe en velsignelse for rumfartsingeniørstuderende som dem på UC.

"Jeg tror, ​​det er fremtiden. Vi kommer til at kravle ind i det - ikke springe, " han sagde.

I ma's laboratorium, studerende arbejder på den automatiserede navigation, som satellitter skal til at docke med andre satellitter i rummet. Det er en vanskelig forretning, da et utilsigtet bump i nul tyngdekraft kan få et eller begge køretøjer til at vælte.

"Det er nemt at få den til at vælte i rummet, fordi intet holder den. Så bliver satellitten endnu sværere at få fat i. Hvis den begynder at vælte, det kan dybest set tumle for evigt. Det stopper ikke af sig selv, " sagde mor.

Tekniske simuleringer kan forudsige den dynamiske opførsel af en målsatellit, så en satellit, der nærmer sig, sikkert kan arrestere den, han sagde.

"Vi har simuleringsværktøjer, så derfra kan vi præcist forudsige dens adfærd, " han sagde.

"At gribe noget i rummet er virkelig svært. Og at gribe noget, der vælter i rummet, er endnu sværere, " sagde Ma. "Du skal være meget omhyggelig med at forudsige den dynamiske adfærd og udføre præcise kontroller, så du kan 'de-tumle' satellitten og forsigtigt gribe den."

Ma sammenlignede fjernsatellitnavigation med den nyeste førerløse bilteknologi. I sit laboratorium, studerende tester disse algoritmer ved hjælp af en robot i skoæskestørrelse, der bevæger sig rundt på noget, der ligner et airhockeybord. Men det er robotten, der leverer luftpuden som en miniature luftpudefartøj for at efterligne rummets mikrotyngdekraft.

Doktorgradskandidat Andrew Barth forklarede, hvordan det fungerer.

"Lige nu er det dybest set bare en testseng. Den har rækkeviddesensorer, kameraer og en inertimåleenhed, du ikke kan se nedenunder, " sagde han. "Den bevæger sig med aktuatorer og otte retningsbestemte thrustere for at drive den rundt om bordet."

Selvom det er begrænset til at bevæge sig på en X- og Y-akse, navigationsbegreberne kan anvendes på tre dimensioner, sagde Barth.

Ma arbejder også på den komplicerede robotteknologi, der kræves for, at en satellit kan udføre fjernreparationer. Hans laboratorium har flere robotarme i industriel størrelse med syv led, der giver dem et komplet bevægelsesområde.

Den mest nyttige reparationssatellit vil være i stand til at udføre flere opgaver, sagde mor. I løbet af sin karriere, han har arbejdet på forskellige projekter i forbindelse med robotarmene ombord på den internationale rumstation og det tidligere rumfærgeprogram. Hans signatur svæver i kredsløb på et stykke udstyr ombord på rumstationen.

"Denne robot vil lave nogle kontroltest af algoritmer og sensorteknologi, " sagde mor, peger på en robotarm i menneskestørrelse i sit laboratorium. "Vi simulerer ikke en specifik mission, men den testede nye teknologi, der kan bruges i fremtidige missioner."

I sit laboratorium, Ma og UC seniorforsker Anoop Sathyan udvikler robotnetværk, der kan arbejde uafhængigt, men i fællesskab om en fælles opgave.

Til deres seneste undersøgelse, Ma og Sathyan sætter en gruppe robotter på prøve med et nyt spil, der bruger strenge til at flytte et vedhæftet token til et udpeget sted på et bord. Da robotterne hver kun kontrollerer én streng, de har brug for de andre robotters samarbejde for at flytte tokenet til det rigtige sted ved at øge eller afslappe spændingen på strengen som svar på hver robots handlinger.

Ved at bruge en kunstig intelligens kaldet genetisk fuzzy logic, kunne forskerne få tre robotter og derefter fem robotter til at flytte tokenet, hvor forskerne ville.

Deres resultater blev offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Robotica .

Forskerne fandt ud af, at ved at bruge fem robotter, kollektivet kunne klare opgaven, selvom en af ​​robotterne fejlede.

"Dette vil især være tilfældet for problemer med et større antal robotter, hvor ansvaret for en individuel robot vil være lavt, " konkluderede forskerne.

Ma har haft en vedvarende interesse for rummet i det meste af sin karriere. På New Mexico State University, han designede en mekanisk sele, der efterlignede lav tyngdekraft. Students wearing the harness could "moon bounce" on a treadmill with one-sixth the gravity of Earth or make sky-high dunks on a basketball rim.

Ma said fixing satellites in space is becoming a growing priority in the aerospace industry because of the high cost of failure.

"It's not very practical yet. The technology is still being developed, " Ma said. "But I envision in five or 10 years when the technology is mature, they will begin commercializing this to go out and fix satellites."

Gordon Roesler, former program manager at the U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, told Astronomy Magazine the inability to repair or modify satellites once they're launched makes no economic sense.

"There is no other [example] where we build something that's worth a half-billion dollars or a billion dollars and never look at it again, " han sagde.

Companies will have to build satellites with remote repair or service in mind. Most satellites today are too fragile even to grasp remotely without risking damage.

"So many satellites couldn't be serviced today even if you wanted to. New satellites will need access doors to accommodate basic repairs and docking targets to help with the approach, " student Barth said.

Time is of the essence. With every launch and every failed satellite, low Earth orbit is approaching the Kessler effect, the theory by Donald Kessler that satellite collisions could create a cascade of debris hampering the safety of future launches as depicted in the fictional 2013 Oscar-winning film "Gravity."

"Think of the speed of these objects. We're not talking about highway speed or even aircraft speed. They're traveling at 17, 000 mph, " sagde mor.

Ma said space is a field dominated by government agencies for the purposes of exploration and discovery. But the field is at the cusp of commercialization, which promises a wealth of aerospace engineering jobs for graduates who want to pursue them.

"Til sidst, the commercialization of space will be a big industry, " han sagde.

His research is helping to push the frontiers of knowledge that will pave the way for future space projects.

"We're not developing an entire mission. We're developing the underlying technology, " Ma said. "Once the technology is proven, NASA or a commercial company would take it to the next step."

At a university where Neil Armstrong worked as an aerospace engineering professor, first steps can be big ones.