211service.com
Hur man landar säkert tillbaka på månen
Ingenjörer vid Charles Stark Draper Laboratory i Cambridge, MA, utvecklar ett väglednings-, navigerings- och kontrollsystem för månlandningar som inkluderar ett farodetekteringssystem ombord som kan upptäcka kratrar, sluttningar och stenar som kan vara farliga för landningsfarkoster. I Apollo-uppdragen för 40 år sedan styrde astronauter landaren till en säker plats genom att titta ut genom fönstret; själva landaren hade inga ögon, säger Eldon Hall, en pensionerad Draper-ingenjör och en av de ursprungliga elektronikdesignerna för Apollos navigationsdator.
Tillbaka till månen: Altair är NASA:s nästa generations månlandare, större än Apollolandaren men med liknande designegenskaper. Den kommer att bära fyra astronauter.
Det innebar att det fanns några nära samtal med Apollo, säger Tye Brady, teknisk chef för månlandning vid Draper, som demonstrerade sitt teams teknik för automatisk landning och riskundvikande vid förra veckans firande av 40-årsdagen av Apollo 11 . De var väldigt nära, säger Brady, och kratrar på en till två meter är dödliga. Du ser dem inte förrän i sista minuten. Apollo 11 astronauten Neil Armstrong var tvungen att styra förbi ett fält av stenar som inte visades på några rekofoton i förväg, och Apollo 14 landade i en osäker lutning med en fotplatta vilande ungefär en meter från en krater.
Det nya navigations- och vägledningssystemet utvecklas för NASA Altair månlandare , som är planerad att landa på månen 2020 som en del av Konstellationsprogram . Projektet leds av NASA:s Johnson Space Center, med stöd från andra NASA-forskningsanläggningar förutom Draper Laboratory. De Jet Propulsion Laboratory genomförde nyligen ett fälttest av sensorerna och kartläggningsalgoritmerna och planerar att påbörja fullständiga systemtester i maj 2010.
Brady säger att den bästa bildupplösningen idag, som kamerorna på omloppsbanan som nu cirkulerar och fotograferar månen, inte kan lösa mindre hål eller stenblock vid projicerade landningsplatser, inte ens i jämna, väl upplysta områden – som inte är målen för NASA:s framtida landningar. Altair syftar till att landa på ett bra sätt på vilken plats som helst på månens yta, och månens terräng kommer att variera. För det, säger Brady, behöver du detektering av faror i realtid för att justera allt eftersom.
Drapers system kommer att använda LIDAR-laserteknik för att skanna ett område efter faror som kratrar eller stenar innan landaren landar på månens yta. Rådata från LIDAR bearbetas och sätts samman till en 3D-karta över månens yta, med hjälp av algoritmer utvecklade av Jet Propulsion Laboratory. En fördel med att använda LIDAR är att det är den enda typen av sensor som mäter 3D-formen av det som finns på marken i hög upplösning och från hög höjd, säger Andrew Johnson, JPL-ledaren för farodetekteringssystemet. Det gör att systemet kan bygga en terräng- och höjdkarta över potentiella landningsplatser ombord på rymdfarkosten, men från tillräckligt högt upp för att det finns tid att reagera på hinder eller kratrar vid landningsplatsen.
Landar i ett nafs: Draper Laboratorys simulerade vägledning, navigering och kontrollsystem prioriterar landningsplatser (områdena 1, 2, 3, 4) i denna representativa display. Astronauter kan utse en förstahandsplats eller som standard till plats nummer 1. Faror som stenblock och kratrar är markerade i rött för beslut i realtid om säkra landningsplatser.
När kartan väl har byggts utpekar systemet säkra platser baserat på faktorer som ytans lutningsvinkel, avståndet och bränslekostnaden för att ta sig till en plats, positionen för landarens trampdynor och besättningens marginal för säkert avstånd från faror. Baserat på den informationen presenterar navigationssystemet astronauterna en prioriterad lista med tre till fyra säkra landningsplatser. Astronauterna kan sedan utse vilken som helst av platserna som förstahandsval, eller om de är oförmögna, kommer systemet att navigera landaren automatiskt till den första platsen på dess lista.
Möjligheten att landa autonomt kommer att göra det möjligt för både besättningsuppdrag och robotuppdrag att landa säkert, säger Brady (medan Apollos månmodul hade ett automatiskt landningsläge användes den aldrig). Förutom NASA Altair, systemet kan integreras i fordon som landar på jordnära asteroider, Mars och andra planeter, eller användas med andra månfordon byggda av privata grupper.
En annan fördel med att använda LIDAR, säger Johnson, är att det fungerar under alla ljusförhållanden. För att hantera ljus vid månens ekvator – där en dag motsvarar 14 jorddagar och en natt varar 14 jordnätter – måste Apollo-uppdragen tidsbestämmas exakt, med bara en uppskjutningsmöjlighet per månad, så att NASA kunde kontrollera farkostens exponering till ljus och värme. Men eftersom ljusförhållandena är mer varierande och extrema vid månens poler, med fläckar av ljus och mörker från bergsskuggorna och djupa kratrar, kommer det att vara svårt för astronauter att se att navigera. LIDAR tillåter farkosten att landa på natten, eller i skuggade områden, eftersom ljuset tillhandahålls av LIDAR-sensorn, inte solen, säger Johnson. Med riskdetektering i realtid, säger han, kommer start- och landningsbegränsningarna för Apollo inte att gälla för framtida uppdrag.
Utmaningen för ett landningssystem, säger Brady, är att få allt att hända på cirka 120 sekunder, inklusive skanningar för att upptäcka faror för att få data, mänsklig interaktion för godkännande av platsen och sedan manövrar för att undvika faror och landning. Hans team har utvecklat en simulator för att skapa realistiska bildkartor över månens yta, förutom att använda datorkod från NASA för väglednings- och navigeringsdelen av systemet. Hittills har ett 20-tal astronauter tagit prov på Draper-simuleringen. De är bra på att gå långsamt och lätt, och de är väldigt tålmodiga, säger Brady. De gör ett bra jobb med att förlita sig på systemet. Det är långt från de tidiga dagarna när Apollo-astronauterna ville flyga det hela själva, säger Hall.
Draper-teamet fortsätter att utveckla högtrogna modeller av LIDAR och terrängkartor, samtidigt som de samordnar med NASA:s besättningskontor för att fastställa det bästa sättet att visa information för astronauter. De siktar på att ha tekniken klar 2012.