In de laatste paar minuten van een landing van een ruimtevaartuig beweegt het met hypersonische snelheden door vele lagen atmosfeer. Het kennen van de luchtdichtheid buiten het voertuig kan een aanzienlijk effect hebben op de daalhoek en het vermogen om een ​​specifieke landingsplaats te raken. Maar sensoren voor luchtdichtheid die bestand zijn tegen de zware hypersonische omstandigheden zijn ongebruikelijk. Een student uit Nederland, werken met een ruimtevaartingenieur aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, een algoritme ontwikkeld dat aan boord van een voertuig kan draaien, het verstrekken van belangrijke realtime gegevens om te helpen bij het besturen van het vaartuig, vooral tijdens de cruciale binnenkomst, herkomst, en aanlegsteiger.

"Het algoritme dat we hebben gemaakt, kan tijdens de vlucht worden uitgevoerd, aan boord van het voertuig en schat in hoe de atmosfeer buiten is, " zei Hamza El-Kebir, een bachelor aan de Technische Universiteit Delft. "Dus dit is een complete game-wisselaar, omdat je nu voorkennis over de beweging van het voertuig kunt gebruiken om de luchtdichtheid te schatten, informeer uw beslissingen tijdens de vlucht, en breng kleine wijzigingen aan in uw cursus. Dit kan meer zekerheid geven dat je die plek gaat raken, in plaats van het omgaan met echt conservatieve begeleiding."

El-Kebir voerde het onderzoek uit met Melkior Ornik, universitair docent bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de U of I, tijdens een semesterprogramma in het buitenland en zal in de herfst aan de graduate school in Illinois beginnen. Hij zei dat zijn werk nieuw is omdat het gegevens gebruikt van sensoren die niet bedoeld waren om gegevens over de luchtdichtheid te leveren. "Het haalt die dichtheidsinformatie eruit door echt handige algoritmen te gebruiken die geen echte kennis van de aerodynamica of de atmosfeer vereisen."

Ornik legde uit hoe het algoritme de luchtdichtheid leert. "Het algoritme begint met bijna niets. Het weet niets over de luchtdichtheid. Het verzamelt gegevens van versnellingsmeters en gyroscopen die op elk voertuig beschikbaar zijn om gegevens te verzamelen, en combineert deze met voorkennis over de maximale versnelling om een ​​in de tijd variërende schatting van de luchtdichtheid te verkrijgen. En het wordt, in zekere zin, slimmer na verloop van tijd. Het verandert zijn schattingen aan boord, op basis van de invoergegevens die het ontvangt."

El-Kebir en Ornik gebruikten gegevens die waren verkregen uit de invoer, herkomst, en de landing van de Phoenix-lander - een wetenschappelijke sonde van Mars - die de laatste 220 seconden vertegenwoordigt, de ballistische fase, tot parachutesprong.

"Er is geen besturing in het latere deel van die fase, dus het is erg belangrijk om onmiddellijk de luchtdichtheid te kennen in het ijle stromingsregime - vanaf ongeveer 80 kilometer en hoger. Wanneer het dat latere gedeelte binnengaat, de vliegbaanhoek wordt vast en het voertuig daalt gewoon, en wordt nauwelijks beïnvloed door de windrichting, ' zei El Kebir.

Wat als de Phoenix het algoritme had?

"Als je de luchtdichtheid kent, je kunt je invalshoek ten opzichte van de wind inschatten. Je zou ook kunnen voorspellen hoe de dichtheid in de toekomst zal zijn, zodat u beslissingen kunt nemen. Er was geen controle over Phoenix tijdens de ballistische fase. Als het de kennis van luchtdichtheid had, het zou een voorsprong hebben gehad. Ze hadden de gegevens kunnen benutten en nauwkeuriger kunnen landen."

Ornik zei dat er vaak wordt aangenomen dat er een vast model bestaat dat we van tevoren kennen en dat we controlemethoden bedenken die het voertuig naar de landing leiden. "Dat is vaak een sterke aanname. Vaak gaat het mis omdat het niet alleen om luchtdichtheid gaat. Door de snelheid en de impact met lucht, hypersonische voertuigen veranderen een beetje van vorm tijdens de vlucht en dat verandert hun dynamiek tijdens de vlucht."

"Dus we hebben geen uniform model dat de hele vlucht beschrijft, omdat de dynamiek in de loop van de tijd geleidelijk verandert. We kennen de maximale snelheid van verandering, dus met dit algoritme, kunnen we die kennis benutten om een ​​schatting te maken, ' zei Ornik.

El-Kebir zei dat er andere gebieden zijn waarop deze kennis kan worden toegepast, zelfs buiten de ruimtevaart en zelfs voertuigen. Hij zoekt naar manieren om het in elektrochirurgie te gebruiken om het temperatuurveld tijdens een chirurgische ingreep te voorspellen, zodat de chirurg kan weten hoe diep de snee is.