NASA разрабатывает технологии точной автоматической посадки

Некоторые из самых интересных мест для изучения в нашей Солнечной системе находятся в самых суровых условиях, а приземление на любое планетное тело уже является рискованным делом. Поскольку НАСА планирует миссии с участием роботов и экипажей с посадками на Луне и Марсе, необходимо избегать посадок на крутом склоне кратера или в поле валунов. Это имеет решающее значение для обеспечения безопасного приземления для исследования других миров. Чтобы повысить безопасность посадки, НАСА разрабатывает и тестирует набор технологий точной посадки и предотвращения опасностей.

Комбинация лазерных датчиков, камер, высокоскоростного компьютера и сложных алгоритмов даст космическому кораблю искусственные глаза и аналитические возможности для поиска назначенной зоны приземления, выявления потенциальных опасностей и корректировки курса к самому безопасному месту приземления. Технологии, разработанные в рамках проекта Safe and Precise Landing – Integrated Capabilities Evolution (SPLICE) в рамках программы Game Changing Development директората космических технологий, в конечном итоге позволят космическим кораблям избегать валунов, кратеров и других предметов в зонах приземления размером в половину футбольного поле.

Три из четырех основных подсистем SPLICE совершат свой первый комплексный испытательный полет на ракете Blue Origin New Shepard во время предстоящей миссии. Когда ракета-носитель возвращается на землю, после достижения границы между атмосферой Земли и космосом, на борту ракеты-носителя будут работать система относительной навигации по местности, навигационный доплеровский лидар SPLICE и компьютер для спуска и посадки. Каждый из них будет действовать так же, как и при приближении к поверхности Луны.

Четвертый основной компонент SPLICE, лидар обнаружения опасности, будет испытан в будущем, посредством наземных и летных испытаний.

Во время выбора района посадки, необходимо обеспечить достаточно места для приземления космического корабля. Размер области, называемой посадочным эллипсом, показывает неточную природу устаревшей технологии приземления. Целевая площадка для посадки Аполлона-11 в 1968 году составляла примерно 18 километров на 5 километров, и сами космонавты пилотировали посадочный модуль. Последующие полеты роботов на Марс были предназначены для автономных посадок. Викинг прибыл на Красную планету 10 лет спустя с целевым эллипсом 280 километров на 100 километров.

Технология улучшилась, и последующие автономные зоны приземления уменьшились в размерах. В 2012 году посадочный эллипс марсохода Curiosity уменьшился до 20 на 6 километров.

Возможность точно определить место посадки поможет будущим миссиям нацеливаться на районы для новых научных исследований в местах, которые ранее считались слишком опасными для беспилотной посадки. Это также позволит продвинутым миссиям по снабжению отправлять грузы и припасы в одно место, а не на много километров в сторону.

У каждого планетарного тела свои уникальные условия. Вот почему «SPLICE разработан для интеграции с любым космическим кораблем, приземляющимся на планету или Луну», – сказал руководитель проекта Рон Сотарик. Сотарик объяснил, что проект охватывает несколько центров агентства.

Ronald Sostaric

«Мы строим полную систему спуска и посадки, которая будет работать для будущих миссий Artemis на Луну и может быть адаптирована для Марса», – сказал он. «Наша работа – собрать отдельные компоненты вместе и убедиться, что они работают как функционирующая система».

Атмосферные условия могут быть разными, но процесс спуска и посадки одинаков. Компьютер SPLICE запрограммирован на включение навигации по местности на высоте нескольких километров над поверхностью.

Бортовая камера фотографирует поверхность, делая до 10 снимков в секунду. Они непрерывно загружаются в компьютер, в который предварительно загружаются спутниковые снимки посадочной площадки и база данных известных ориентиров.

Алгоритмы ищут на снимках в реальном времени известные особенности, чтобы определить местоположение космического корабля и безопасно направить его к предполагаемой точке приземления. Это похоже на навигацию по ориентирам, таким как здания, а не по названиям улиц.

Точно так же относительная навигация по местности определяет, где находится космический корабль, и отправляет эту информацию в компьютер наведения и управления, который отвечает за выполнение траектории полета к поверхности. Компьютер будет знать приблизительно, когда космический корабль должен приблизиться к своей цели.

Этот процесс продолжается примерно до 6 километров над поверхностью.

Лазерная навигация

Знание точного положения космического корабля необходимо для расчетов, необходимых для планирования и выполнения снижения до точной посадки. В середине спуска компьютер включает навигационный доплеровский лидар для измерения скорости и дальности, что дополнительно увеличивает точную навигационную информацию, полученную при относительной навигации по местности. Лидар работает почти так же, как радар, но использует световые волны вместо радиоволн. Три лазерных луча, каждый узкий, как карандаш, направлены на поверхность. Свет от этих лучей отражается от поверхности обратно в космический корабль.

Время прохождения и длина волны этого отраженного света используются для расчета того, насколько далеко корабль от земли, в каком направлении он движется и как быстро он движется. Эти расчеты производятся 20 раз в секунду для всех трех лазерных лучей и передаются в компьютер наведения.

Доплеровский лидар успешно работает на Земле. Однако Фарзин Амзаджердян, соавтор технологии и главный исследователь из центра Лэнгли НАСА в Хэмптоне, Вирджиния, отвечает за решение проблем, связанных с использованием в космосе.

«До сих пор неизвестно, сколько сигналов будет приходить с поверхности Луны и Марса», – сказал он. Если материал на земле не очень отражающий, обратный сигнал на датчики будет слабее. Но Амзаджердян уверен, что лидар превосходит радарные технологии, потому что частота лазера на несколько порядков выше, чем у радиоволн, что обеспечивает гораздо большую точность и более эффективное зондирование.

Рабочей лошадкой, отвечающей за управление всеми этими данными, является компьютер спуска и посадки. Данные навигации от сенсорных систем передаются бортовым алгоритмам, которые рассчитывают новые траектории для точной посадки.

Компьютер спуска и посадки синхронизирует функции и управление данными отдельных компонентов SPLICE. Он также должен легко интегрироваться с другими системами на любом космическом корабле. Таким образом, этот небольшой вычислительный центр не позволяет технологиям точной посадки перегрузить основной бортовой компьютер.

Вычислительные потребности, выявленные на ранней стадии, ясно показали, что существующие компьютеры очень слабые. Высокопроизводительный вычислительный процессор НАСА для космических полетов удовлетворит спрос, но до завершения еще несколько лет. Требовалось временное решение, чтобы подготовить SPLICE к его первым суборбитальным летным испытаниям с Blue Origin на ее ракете New Shepard. Данные о производительности нового компьютера помогут определить его возможную замену.

Забегая вперед, подобные испытательные миссии помогут сформировать системы безопасной посадки для миссий НАСА и коммерческих провайдеров на поверхности Луны и других тел Солнечной системы.

«Безопасная и точная посадка в другом мире по-прежнему сопряжена с множеством проблем», – сказал Карсон. «Еще нет коммерческих технологий, которые можно было бы купить для этой миссии. Каждая будущая наземная миссия может использовать эту возможность для точной посадки, так что НАСА готовится к подобным испытаниям».

Источник.