Forudsigelse af lufttæthed under flyvning for mere nøjagtig landing

I de sidste par minutter af et rumfartøjs landing bevæger det sig med hypersoniske hastigheder gennem mange lag af atmosfæren. At kende lufttætheden uden for køretøjet kan have en væsentlig effekt på dets nedstigningsvinkel og evne til at ramme et bestemt landingssted. Men luftdensitetssensorer, der kan modstå de barske hypersoniske forhold, er ualmindelige. En studerende fra Holland, arbejder med en rumfartsingeniør ved University of Illinois i Urbana-Champaign, udviklet en algoritme, der kan køre ombord på et køretøj, leverer vigtige realtidsdata for at hjælpe med at styre fartøjet, især under den afgørende indgang, nedstigning, og landingsplads.

"Den algoritme, vi skabte, kan køre under flyvningen, ombord på køretøjet og estimer, hvordan atmosfæren udenfor er, " sagde Hamza El-Kebir, en bachelor ved Delft University of Technology. "Så dette er en komplet game changer, For nu kan du bruge forudgående viden om køretøjets bevægelse til at vurdere lufttætheden, informere dine beslutninger under flyvningen, og lav mindre ændringer i dit kursus. Dette kan give mere sikkerhed for, at du vil ramme det sted, i stedet for at beskæftige sig med virkelig konservativ vejledning."

El-Kebir udførte forskningen sammen med Melkior Ornik, adjunkt i Afd. for Luftfartsteknik ved U of I, i løbet af et semester i udlandet og vil begynde på kandidatskolen i Illinois til efteråret. Han sagde, at hans arbejde er nyt, fordi det bruger data fra sensorer, der ikke var beregnet til at levere lufttæthedsdata. "Den ekstraherer den tæthedsinformation fra den ved at bruge virkelig smarte algoritmer, der ikke kræver nogen reel viden om aerodynamikken eller atmosfæren."

Ornik forklarede, hvordan algoritmen lærer luftens tæthed. "Algoritmen starter fra næsten ingenting. Den ved ikke noget om lufttætheden. Den samler data fra accelerometre og gyroskoper, der er tilgængelige på ethvert køretøj for at indsamle data, og kombinerer det med forudgående viden om maksimal accelerationshastighed for at opnå et tidsvarierende estimat af lufttæthed. Og det bliver, i en vis forstand, klogere over tid. Det ændrer sine vurderinger ombord, baseret på de inputdata, den modtager."

El-Kebir og Ornik brugte data erhvervet fra posten, nedstigning, og landing af Phoenix-landeren - en videnskabssonde fra Mars - der repræsenterer de sidste 220 sekunder, den ballistiske fase, indtil faldskærmsudsættelse.

"Der er ingen styring på den senere del af den fase, så det er virkelig vigtigt med det samme at kende lufttætheden i det rarificerede strømningsregime – fra omkring 80 kilometer og opefter. Når den kommer ind i den senere del, dens flyvevejs vinkel bliver fast, og køretøjet går lige ned, og påvirkes knap nok af vindens retning, " sagde El-Kebir.

Hvad hvis Phoenix havde algoritmen?

"Hvis du kender lufttætheden, du kan vurdere din angrebsvinkel i forhold til vinden. Du kan også forudsige, hvordan tætheden vil være i fremtiden, så du kan træffe beslutninger. Der var ingen kontrol på Phoenix under den ballistiske fase. Hvis den havde viden om lufttæthed, det ville have haft en kant. De kunne have udnyttet dataene og landet mere præcist."

Ornik sagde, at der ofte er en antagelse om, at der eksisterer en fast model, som vi kender på forhånd, og vi finder ud af kontrolmetoder, der fører køretøjet til land. "Det er ofte en stærk antagelse. Det er ofte forkert, fordi det ikke kun handler om lufttæthed. På grund af hastigheden og påvirkningen med luft, hypersoniske køretøjer ændrer form lidt under flyvningen, og det ændrer deres dynamik under flyvningen."

"Så vi har ikke en samlet model, der beskriver hele flyvningen, fordi dynamikken ændrer sig gradvist over tid. Vi kender den maksimale ændringshastighed, så med denne algoritme, vi kan udnytte den viden til at lave et skøn, " sagde Ornik.

El-Kebir sagde, at der er andre områder, denne viden kan anvendes til, selv uden for rumfart og endda køretøjer. Han kigger på måder at bruge det i elektrokirurgi til at forudsige temperaturfeltet under en kirurgisk operation, så kirurgen kan vide, hvor dybt snittet er.