Enkele van de meest interessante plaatsen om te studeren in ons zonnestelsel zijn te vinden in de meest onherbergzame omgevingen, maar landen op een willekeurig planetair lichaam is al een riskante aangelegenheid. Nu NASA robot- en bemande missies plant naar nieuwe locaties op de maan en Mars, het vermijden van een landing op de steile helling van een krater of in een keienveld is van cruciaal belang om een ​​veilige landing te verzekeren voor oppervlakteverkenning van andere werelden. Om de landingsveiligheid te verbeteren, NASA ontwikkelt en test een reeks nauwkeurige landings- en gevarenvermijdingstechnologieën.

Een combinatie van lasersensoren, een camera, een snelle computer, en geavanceerde algoritmen zullen ruimtevaartuigen de kunstmatige ogen en het analytische vermogen geven om een ​​aangewezen landingsgebied te vinden, mogelijke gevaren identificeren, en pas de koers aan naar de veiligste landingsplaats. De technologieën die zijn ontwikkeld in het kader van het Safe and Precise Landing-Integrated Capabilities Evolution (SPLICE)-project binnen het Game Changing Development-programma van de Space Technology Mission Directorate, zullen het uiteindelijk mogelijk maken voor ruimtevaartuigen om rotsblokken te ontwijken, kraters, en meer binnen landingsgebieden die half zo groot zijn als een voetbalveld dat al als relatief veilig is aangemerkt.

Drie van de vier belangrijkste subsystemen van SPLICE zullen tijdens een komende missie hun eerste geïntegreerde testvlucht maken op een Blue Origin New Shepard-raket. Terwijl de booster van de raket terugkeert naar de grond, na het bereiken van de grens tussen de atmosfeer en de ruimte van de aarde, SPLICE's terrein relatieve navigatie, navigatie Doppler lidar, en de afdalings- en landingscomputer zal aan boord van de booster draaien. Elk zal op dezelfde manier werken als bij het naderen van het oppervlak van de maan.

De vierde grote SPLICE-component, een lidar voor gevarendetectie, zal in de toekomst worden getest via grond- en vliegproeven.

Broodkruimels volgen

Wanneer een site wordt gekozen voor verkenning, een deel van de overweging is om te zorgen voor voldoende ruimte voor een ruimtevaartuig om te landen. De grootte van het gebied, de landingsellips genoemd, onthult de onnauwkeurige aard van legacy landingstechnologie. Het beoogde landingsgebied voor Apollo 11 in 1968 was ongeveer 11 mijl bij 3 mijl, en astronauten bestuurden de lander. Daaropvolgende robotmissies naar Mars waren ontworpen voor autonome landingen. Viking arriveerde 10 jaar later op de Rode Planeet met een doelellips van 174 mijl bij 62 mijl.

Technologie is verbeterd, en de daaropvolgende autonome landingszones werden kleiner. In 2012, de landingsellips van de Curiosity rover was gedaald tot 12 mijl bij 4 mijl.

Het kunnen lokaliseren van een landingsplaats zal toekomstige missies helpen om gebieden te targeten voor nieuwe wetenschappelijke verkenningen op locaties die voorheen te gevaarlijk werden geacht voor een onbemande landing. Het zal ook geavanceerde bevoorradingsmissies mogelijk maken om vracht en voorraden naar één enkele locatie te sturen, in plaats van verspreid over mijlen.

Elk planetair lichaam heeft zijn eigen unieke omstandigheden. Daarom is "SPLICE ontworpen om te integreren met elk ruimtevaartuig dat op een planeet of maan landt, " zei projectmanager Ron Sostaric. Gebaseerd op NASA's Johnson Space Center in Houston, Sostaric legde uit dat het project zich uitstrekt over meerdere centra van het bureau.

"Wat we aan het bouwen zijn, is een compleet systeem voor afdaling en landing dat zal werken voor toekomstige Artemis-missies naar de maan en kan worden aangepast voor Mars, " zei hij. "Het is onze taak om de afzonderlijke componenten samen te voegen en ervoor te zorgen dat het werkt als een functionerend systeem."

Atmosferische omstandigheden kunnen variëren, maar het proces van dalen en landen is hetzelfde. De SPLICE-computer is geprogrammeerd om de relatieve navigatie over het terrein enkele kilometers boven de grond te activeren. De camera aan boord fotografeert het oppervlak, tot 10 foto's per seconde maken. Die worden continu in de computer ingevoerd, die is voorgeladen met satellietbeelden van het landingsveld en een database met bekende oriëntatiepunten.

Algoritmen zoeken in de realtime beelden naar de bekende kenmerken om de locatie van het ruimtevaartuig te bepalen en het vaartuig veilig naar het verwachte landingspunt te navigeren. Het is vergelijkbaar met navigeren via oriëntatiepunten, zoals gebouwen, in plaats van straatnamen.

Op dezelfde manier, relatieve terreinnavigatie identificeert waar het ruimtevaartuig is en stuurt die informatie naar de geleidings- en besturingscomputer, die verantwoordelijk is voor het uitvoeren van de vliegroute naar de oppervlakte. De computer weet ongeveer wanneer het ruimtevaartuig zijn doel moet naderen, bijna alsof je broodkruimels legt en ze vervolgens volgt naar de eindbestemming.

Dit proces gaat door tot ongeveer vier mijl boven het oppervlak.

Lasernavigatie

Het kennen van de exacte positie van een ruimtevaartuig is essentieel voor de berekeningen die nodig zijn om een ​​gemotoriseerde afdaling naar een nauwkeurige landing te plannen en uit te voeren. Halverwege de afdaling, de computer zet de navigatie Doppler-lidar aan om snelheids- en afstandsmetingen te meten die verder bijdragen aan de nauwkeurige navigatie-informatie die afkomstig is van relatieve terreinnavigatie. Lidar (lichtdetectie en bereik) werkt op vrijwel dezelfde manier als een radar, maar gebruikt lichtgolven in plaats van radiogolven. Drie laserstralen, elk zo smal als een potlood, zijn naar de grond gericht. Het licht van deze stralen weerkaatst van het oppervlak, terugkaatsen naar het ruimtevaartuig.

De reistijd en golflengte van dat gereflecteerde licht worden gebruikt om te berekenen hoe ver het vaartuig van de grond is, welke richting het opgaat, en hoe snel het gaat. Deze berekeningen worden 20 keer per seconde gemaakt voor alle drie de laserstralen en ingevoerd in de geleidingscomputer.

Doppler-lidar werkt met succes op aarde. Echter, Farzin Amzajerdian, de mede-uitvinder van de technologie en hoofdonderzoeker van NASA's Langley Research Center in Hampton, Virginia, is verantwoordelijk voor het aanpakken van de uitdagingen voor gebruik in de ruimte.

"Er zijn nog steeds wat onbekenden over hoeveel signaal er van het oppervlak van de maan en Mars zal komen, " zei hij. Als materiaal op de grond niet erg reflecterend is, het signaal terug naar de sensoren zal zwakker zijn. Maar Amzajerdian is ervan overtuigd dat de lidar beter zal presteren dan radartechnologie, omdat de laserfrequentie een orde van grootte groter is dan radiogolven. wat een veel grotere precisie en efficiëntere detectie mogelijk maakt.

Het werkpaard dat verantwoordelijk is voor het beheer van al deze gegevens is de daal- en landingscomputer. Navigatiegegevens van de sensorsystemen worden naar algoritmen aan boord gevoerd, die nieuwe paden berekenen voor een precieze landing.

Computer krachtpatser

De daal- en landingscomputer synchroniseert de functies en het gegevensbeheer van afzonderlijke SPLICE-componenten. Het moet ook naadloos integreren met de andere systemen op elk ruimtevaartuig. Dus, deze kleine computerkrachtpatser zorgt ervoor dat de precisielandingstechnologieën de primaire vluchtcomputer niet overbelasten.

De al vroeg geïdentificeerde rekenbehoeften maakten duidelijk dat de bestaande computers ontoereikend waren. NASA's krachtige computerprocessor voor ruimtevluchten zou aan de vraag voldoen, maar is nog enkele jaren na voltooiing. Er was een tussenoplossing nodig om SPLICE klaar te maken voor zijn eerste suborbitale raketvluchttest met Blue Origin op zijn New Shepard-raket. Gegevens van de prestaties van de nieuwe computer zullen helpen bij het vormgeven van de uiteindelijke vervanging.

John Carson, de technisch integratiemanager voor precisielanding, legde uit dat "de surrogaatcomputer een zeer vergelijkbare verwerkingstechnologie heeft, die zowel het toekomstige hogesnelheidscomputerontwerp, evenals toekomstige inspanningen op het gebied van computerintegratie voor afdaling en landing."

Ergens naar uitkijken, Testmissies zoals deze zullen helpen bij het vormgeven van veilige landingssystemen voor missies van NASA en commerciële providers op het oppervlak van de maan en andere zonnestelsellichamen.

"Veilig en precies landen op een andere wereld heeft nog veel uitdagingen, "zei Carson. "Er is nog geen commerciële technologie die je hiervoor kunt kopen. Elke toekomstige oppervlaktemissie zou deze precisielandingsmogelijkheid kunnen gebruiken, dus NASA voorziet nu in die behoefte. En we stimuleren de overdracht en het gebruik met onze branchepartners."