211service.com
Sådan lander du sikkert tilbage på månen
Ingeniører ved Charles Stark Draper Laboratory i Cambridge, MA, udvikler et vejlednings-, navigations- og kontrolsystem til månelandinger, der inkluderer et indbygget fare-detektionssystem, der kan spotte kratere, skråninger og sten, der kan være farlige for landingsfartøjer. I Apollo-missionerne for 40 år siden styrede astronauter landeren til et sikkert sted ved at kigge ud af vinduet; selve landeren havde ingen øjne, siger Eldon Hall, en pensioneret Draper-ingeniør og en af de originale elektronikdesignere til Apollos navigationscomputer.
Tilbage til månen: Altair er NASAs næste generations månelander, større end Apollo-landeren, men med lignende designfunktioner. Det vil bære fire astronauter.
Det betød, at der var nogle tætte samtaler med Apollo, siger Tye Brady, teknisk direktør for månelanding hos Draper, som demonstrerede sit teams automatiserede landings- og fare-undgåelsesteknologi ved sidste uges fejring af 40-årsdagen for Apollo 11 . De var virkelig tæt på, siger Brady, og kratere på en til to meter er dødelige. Du ser dem ikke før i sidste øjeblik. Apollo 11 astronauten Neil Armstrong måtte styre forbi et felt af sten, der ikke var vist på nogen rekobilleder på forhånd, og Apollo 14 landede i en usikker hældning med den ene trædepude hvilende omkring en meter væk fra et krater.
Det nye navigations- og vejledningssystem er ved at blive udviklet til NASA Altair lunar lander , som er planlagt til at lande på månen i 2020 som en del af Konstellation program . Projektet ledes af NASAs Johnson Space Center med støtte fra andre NASA-forskningsfaciliteter ud over Draper Laboratory. Det Jet Propulsion Laboratory for nylig gennemførte en felttest af sensorer og kortlægningsalgoritmer, og det planlægger at påbegynde komplette systemtests i maj 2010.
Brady siger, at den bedste billedopløsning i dag, såsom kameraerne på orbiteren, der nu cirkulerer og fotograferer månen, ikke kan løse mindre huller eller kampesten på projekterede landingssteder, selv i glatte, godt oplyste områder – som ikke er målene for NASAs fremtidige landinger. Altair sigter mod at lande egnet på ethvert sted på månens overflade, og månens terræn vil variere. Til det, siger Brady, har du brug for fareregistrering i realtid for at justere, mens du går.
Drapers system vil bruge LIDAR-laserteknologi til at scanne et område for farer som kratere eller sten, før landeren rører ned på månens overflade. Rådata fra LIDAR behandles og samles til et 3-D kort over månens overflade ved hjælp af algoritmer udviklet af Jet Propulsion Laboratory. En fordel ved at bruge LIDAR er, at det er den eneste type sensor, der måler 3D-formen af det, der er på jorden i høj opløsning og fra stor højde, siger Andrew Johnson, JPL-lederen for fare-detektionssystemet. Det gør det muligt for systemet at bygge et terræn- og højdekort over potentielle landingssteder ombord på rumfartøjet, men fra højt nok op til, at der er tid til at reagere på forhindringer eller kratere på landingsstedet.
Lander i klemme: Draper Laboratorys simulerede styrings-, navigations- og kontrolsystem prioriterer landingssteder (område 1, 2, 3, 4) i dette repræsentative display. Astronauter kan udpege et førstevalgssted eller som standard til sted nummer 1. Farer såsom kampesten og kratere er fremhævet med rødt for at træffe beslutninger i realtid om sikre landingssteder.
Når kortet er bygget, udpeger systemet sikre steder baseret på faktorer som overfladens hældningsvinkel, afstanden og brændstofomkostningerne for at komme til et sted, positionen af landerens trædepuder og besætningens margin for sikker afstand fra farer. Baseret på disse oplysninger præsenterer navigationssystemet astronauter for en prioriteret liste med tre til fire sikre landingssteder. Astronauterne kan derefter udpege et hvilket som helst af stederne som førstevalg, eller hvis de er uarbejdsdygtige, vil systemet automatisk navigere landeren til det første sted på dens liste.
Evnen til at lande autonomt vil gøre det muligt for både besætnings- og robotmissioner at lande sikkert, siger Brady (mens Apollos månemodul havde en automatisk landingstilstand, blev det aldrig brugt). Ud over NASA's Altair, systemet kunne integreres i køretøjer, der lander på jordnære asteroider, Mars og andre planeter, eller bruges med andre månefartøjer bygget af private grupper.
En anden fordel ved at bruge LIDAR, siger Johnson, er, at det fungerer under alle lysforhold. For at håndtere lys ved månens ækvator – hvor en dag svarer til 14 jorddage, og en nat varer 14 jordnætter – skulle Apollo-missioner tidsbestemmes nøjagtigt med kun én opsendelsesmulighed om måneden, så NASA kunne kontrollere fartøjets eksponering til lys og varme. Men fordi lysforholdene er mere varierede og ekstreme ved månens poler, med pletter af lys og mørke fra skyggerne af bjerge og dybe kratere, vil det være svært for astronauter at se at navigere. LIDAR tillader fartøjet at lande om natten eller i skyggefulde områder, fordi lyset leveres af LIDAR-sensoren, ikke solen, siger Johnson. Med faredetektion i realtid, siger han, vil lancerings- og landingsbegrænsningerne for Apollo ikke gælde for fremtidige missioner.
Udfordringen for et landingssystem, siger Brady, er at få alt til at ske på omkring 120 sekunder, inklusive fare-detektionsscanninger for at få dataene, menneskelig interaktion til godkendelse af stedet og derefter fare-undgåelsesmanøvrer og touchdown. Hans team har udviklet en simulator til at skabe realistiske billedkort af månens overflade, ud over at bruge computerkode fra NASA til vejlednings- og navigationsdelen af systemet. Indtil videre har omkring 20 astronauter prøvet Draper-simuleringen. De er gode til at gå langsomt og let, og de er meget tålmodige, siger Brady. De gør et godt stykke arbejde med at stole på systemet. Det er langt fra de tidlige dage, hvor Apollo-astronauterne ville flyve det hele selv, siger Hall.
Draper-teamet fortsætter med at udvikle high-fidelity-modeller af LIDAR og terrænkort, mens de koordinerer med NASAs besætningskontor for at bestemme den bedste måde at vise information for astronauter på. De sigter mod at have teknologien klar i 2012.