Technológia NASA umožňuje presné pristátie a predchádzanie rizikám bez pilota

Niektoré z najzaujímavejších miest na štúdium v ​​našej slnečnej sústave sa nachádzajú v naj nehostinnejších prostrediach – pristátie na akomkoľvek planetárnom telese je však už riskantná záležitosť. S NASA plánovanie robotických misií a posádok na nové miesta na Mesiaci a Mars, vyhýbanie sa pristátiu na strmom svahu krátera alebo na balvane je rozhodujúce pre zaistenie bezpečného dotyku pre povrchový prieskum iných svetov. Za účelom zvýšenia bezpečnosti pri pristávaní vyvíja a testuje NASA sadu technológií presného pristátia a vyhýbania sa nebezpečenstvu.

Kombinácia laserových senzorov, kamery, vysokorýchlostného počítača a sofistikovaných algoritmov poskytne kozmickej lodi umelé oči a analytické schopnosti nájsť určenú pristávaciu plochu, identifikovať potenciálne riziká a prispôsobiť kurz najbezpečnejšiemu miestu dotyku. Technológie vyvinuté v rámci projektu SPLICE (Bezpečné a presné pristátie – integrované vývojové schopnosti) (SPLICE) v rámci vývojového programu Game Changing Development Directorate of Mission of Space (vesmírna technológia) nakoniec umožnia kozmickým lodiam vyhnúť sa balvanom, kráterom a ďalším veciam v pristávacích plochách s polovičnou veľkosťou oproti futbalové ihrisko už zamerané ako relatívne bezpečné.

Nová sada technológií pristátia na Mesiaci s názvom Bezpečné a presné pristátie – vývoj integrovaných schopností (SPLICE) umožní bezpečnejšie a presnejšie pristátie na Mesiaci ako kedykoľvek predtým. Budúce misie na Mesiaci mohli pomocou pokročilých algoritmov a senzorov SPLICE od NASA zacieliť na miesta pristátia, ktoré počas misií Apollo neboli možné, ako napríklad oblasti s nebezpečnými balvanmi a blízke tieňované krátery. Technológie SPLICE by tiež mohli pomôcť vylodiť ľudí na Marse. Poďakovanie: NASA

Tri zo štyroch hlavných subsystémov SPLICE budú mať počas nadchádzajúcej misie prvý integrovaný testovací let na rakete Blue Origin New Shepard. Keď sa posilňovač rakety vráti na zem, po dosiahnutí hranice medzi atmosférou Zeme a vesmírom bude na zosilňovači prebiehať relatívna navigácia SPLICE v teréne, navigačný Dopplerov lidar a zostupný a pristávací počítač. Každý z nich bude pri priblížení k povrchu Mesiaca pracovať rovnakým spôsobom.

Štvrtý hlavný komponent SPLICE, lidar na detekciu nebezpečenstva, bude v budúcnosti testovaný pozemnými a letovými testami.

Nasleduje strúhanka

Keď sa na prieskum vyberie miesto, súčasťou úvahy je zabezpečiť dostatok priestoru na pristátie kozmickej lode. Veľkosť oblasti, ktorá sa nazýva pristávacia elipsa, odhaľuje nepresnú povahu staršej technológie pristátia. Cieľová pristávacia plocha pre Apollo 11 v roku 1968 bola približne 18 kilometrov na 3 míle a kozmonauti pilotovali lander. Následné robotické misie na Mars boli určené na autonómne pristátie. Viking dorazil na Červenú planétu o 10 rokov neskôr s cieľovou elipsou 174 míľ krát 62 míľ.

Tu zobrazená pristávacia elipsa Apolla 11 bola vzdialená 18,5 km. Technológia presného pristátia drasticky zmenší pristávaciu plochu, čo umožní pristátie viacerých misií v rovnakom regióne. Poďakovanie: NASA

Technológia sa zlepšila a veľkosť následných autonómnych pristávacích zón sa zmenšila. V roku 2012 klesla pristávacia elipsa Curiosity rover na 12 míľ a 4 míle.

Schopnosť presne určiť miesto pristátia pomôže budúcim misiám zamerať sa na oblasti pre nové vedecké výskumy v miestach, ktoré sa predtým považovali za príliš nebezpečné pre nepripravené pristátie. Umožní tiež pokročilým zásobovacím misiám rozposlať náklad a zásoby na jedno miesto, a nie rozložiť sa na míle ďaleko.

Každé planetárne teleso má svoje vlastné jedinečné podmienky. Preto je „SPLICE navrhnutý na integráciu s akýmikoľvek kozmickými loďami pristávajúcimi na planéte alebo mesiaci,“ uviedol vedúci projektu Ron Sostaric. Sostaric sídli v Johnsonovom vesmírnom stredisku NASA v Houstone a vysvetlil, že projekt sa rozprestiera na viacerých centrách v celej agentúre.

Relatívna navigácia v teréne poskytuje navigačné meranie porovnaním snímok v reálnom čase so známymi mapami povrchových prvkov počas zostupu. Poďakovanie: NASA

„To, čo budujeme, je kompletný systém zostupu a pristátia, ktorý bude fungovať pre budúce misie Artemis na Mesiac a bude možné ho prispôsobiť pre Mars,“ uviedol. „Našou úlohou je dať dohromady jednotlivé komponenty a zabezpečiť, aby fungoval ako funkčný systém.“

Atmosférické podmienky sa môžu líšiť, ale proces zostupu a pristátia je rovnaký. Počítač SPLICE je naprogramovaný tak, aby aktivoval relatívnu navigáciu v teréne niekoľko kilometrov nad zemou. Palubná kamera fotografuje povrch a každú sekundu urobí až 10 obrázkov. Tie sa nepretržite napájajú do počítača, ktorý je vopred nabitý satelitnými snímkami pristávacieho poľa a databázou známych orientačných bodov.

Algoritmy vyhľadávajú známe prvky v reálnom čase, aby určili polohu kozmickej lode a bezpečne navigovali plavidlo do očakávaného bodu pristátia. Je to podobné ako pri navigácii cez orientačné body, napríklad budovy, a nie po názvoch ulíc.

Rovnakým spôsobom identifikuje relatívna navigácia v teréne, kde sa kozmická loď nachádza, a tieto informácie odošle do navádzacieho a riadiaceho počítača, ktorý je zodpovedný za vykonanie letovej dráhy na povrch. Počítač bude približne vedieť, kedy by sa kozmická loď mala blížiť k svojmu cieľu, skoro ako položiť strúhanku a potom ich nasledovať do konečného cieľa.

Tento proces pokračuje, kým nebude približne štyri míle nad povrchom.

Laserová navigácia

Poznanie presnej polohy kozmickej lode je nevyhnutné pre výpočty potrebné na plánovanie a vykonanie motorového zostupu k presnému pristátiu. V polovici zjazdu počítač zapne navigačný Dopplerov lidar, aby zmeral merania rýchlosti a rozsahu, ktoré ďalej dopĺňajú presné navigačné informácie pochádzajúce z relatívnej navigácie v teréne. Lidar (detekcia a rozsah svetla) funguje v podstate rovnakým spôsobom ako radar, ale namiesto rádiových vĺn používa svetelné vlny. Tri laserové lúče, každý úzky ako ceruzka, smerujú k zemi. Svetlo z týchto lúčov sa odráža od povrchu a odráža sa späť k kozmickej lodi.

Navigačný prístroj NASA Doppler lidar sa skladá z podvozku obsahujúceho elektrooptické a elektronické komponenty a optickej hlavy s tromi ďalekohľadmi. Poďakovanie: NASA

Čas a vlnová dĺžka odrazeného svetla sa používajú na výpočet vzdialenosti plavidla od zeme, smeru a rýchlosti jeho pohybu. Tieto výpočty sa uskutočňujú 20-krát za sekundu pre všetky tri laserové lúče a privádzajú sa do navádzacieho počítača.

Dopplerov lidar úspešne funguje na Zemi. Za riešenie výziev pri využívaní vo vesmíre je však zodpovedný Farzin Amzajerdian, spoluautor vynálezu a hlavný výskumník z Langley Research Center agentúry NASA v Hamptone vo Virgínii.

„Stále existujú určité neznáme informácie o tom, koľko signálu bude pochádzať z povrchu Mesiaca a Marsu,“ uviedol. Ak materiál na zemi nie je veľmi odrazivý, signál späť do senzorov bude slabší. Amzajerdian je však presvedčený, že lidar prekoná radarovú technológiu, pretože laserová frekvencia je rádovo vyššia ako rádiové vlny, čo umožňuje oveľa väčšiu presnosť a efektívnejšie snímanie.

Inžinier spoločnosti Langley John Savage kontroluje časť navigačnej dopplerovskej lidarovej jednotky po jej výrobe z kovového bloku. Poďakovanie: NASA / David C. Bowman

Ťažným koňom zodpovedným za správu všetkých týchto údajov je počítač zostupu a pristátia. Navigačné údaje zo senzorických systémov sa prenášajú do palubných algoritmov, ktoré počítajú nové dráhy pre presné pristátie.

Počítačová elektráreň

Počítač zostupu a pristátia synchronizuje funkcie a správu dát jednotlivých komponentov SPLICE. Musí sa tiež bez problémov integrovať s ostatnými systémami na akejkoľvek kozmickej lodi. Tento malý výpočtový zdroj teda chráni technológie presného pristátia pred preťažením primárneho letového počítača.

Výpočtové potreby zistené hneď na začiatku objasňovali, že existujúce počítače sú nedostatočné. Vysokovýkonný výpočtový procesor NASA pre vesmírne lety by uspokojil dopyt, ale je ešte niekoľko rokov od dokončenia. Bolo potrebné dočasné riešenie, aby bola spoločnosť SPLICE pripravená na svoj prvý letový test suborbitálnej rakety s Blue Origin na svojej rakete New Shepard. Údaje o výkone nového počítača pomôžu formovať jeho prípadnú náhradu.

SPLICE hardware sa pripravuje na test vákuovej komory. Tri zo štyroch hlavných subsystémov SPLICE budú mať prvý integrovaný testovací let na rakete Blue Origin New Shepard. Poďakovanie: NASA

John Carson, manažér technickej integrácie pre presné pristátie, vysvetlil, že „náhradný počítač má veľmi podobnú technológiu spracovania, ktorá informuje o budúcom dizajne vysokorýchlostného počítača, ako aj o budúcom úsilí o zostup a pristátie s počítačom.“

Do budúcna budú testovacie misie ako tieto pomáhať formovať bezpečné pristávacie systémy pre misie NASA a komerčných poskytovateľov na povrchu Mesiaca a iných telies slnečnej sústavy.

„Bezpečné a presné pristátie na inom svete má stále veľa výziev,“ uviedol Carson. „Zatiaľ neexistuje žiadna komerčná technológia, za ktorú by ste si mohli ísť kúpiť a kúpiť.“ Každá budúca povrchová misia mohla využiť túto schopnosť presného pristátia, takže stretnutie NASA je teraz potrebné. A podporujeme prenos a používanie s našimi priemyselnými partnermi. “