Точную посадку устройств без помощи пилота позволят осуществлять технологии НАСА

Некоторые из самых интересных мест для изучения в нашей Солнечной системе и без того являются не самыми дружелюбными к нам, но приземление на любое планетное тело уже является рискованным делом. Поскольку НАСА планирует организовывать миссии с участием роботов и экипажей в новые места на Луне и Марсе, избегание приземления на крутом склоне кратера или в поле валунов имеет решающее значение для обеспечения безопасного приземления для исследования других миров на поверхности. 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.

Немного о SPICE

Технологии, разработанные в рамках проекта Safe and Precise Landing - Integrated Capabilities Evolution (SPLICE) и программы Game Changing Development Директората космических технологий, в конечном итоге позволят космическим кораблям избегать валунов, кратеров и т. д. 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 начнет функционировать 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.

Постепенное развитие технологий

Когда выбирается место для исследования, часть соображений заключается в том, чтобы обеспечить достаточно пространства 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 11 на 3 мили, и космонавты самостоятельно пилотировали посадочный модуль.

Последующие миссии роботов на Марс были предназначены для автономных посадок. Викинг прибыл на Красную планету 10 лет спустя с целевым эллипсом 174 на 62 мили. Технология улучшилась, и последующие зоны автономной посадки уменьшились в размерах. В 2012 году посадочный эллипс марсохода Curiosity уменьшился до 12 на 4 мили. 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 отправлять грузы и припасы в конкретное место, а не на много миль от него. У каждого планетарного тела свои уникальные условия. Вот почему «SPLICE предназначен для интеграции с любым космическим кораблем, приземляющимся на планету или Луну», - сказал руководитель проекта Рон Сотарик. Сотарик объяснил, что из Космического центра имени Джонсона НАСА в Хьюстоне, проект охватывает несколько центров агентства.

Принцип работы SPICE

«Мы спроектировали полную систему спуска и посадки, которая будет работать во время 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 миль над землей. Бортовая камера фотографирует поверхность, делая до 10 снимков каждую секунду.

Они непрерывно загружаются в компьютер, в который предварительно обрабатываются 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. Точно так же относительная навигация по местности определяет, где находится космический корабль, и отправляет эту информацию в компьютер наведения и управления, который отвечает за построение траектории полета. Компьютер будет знать, когда космический корабль должен приблизиться к своей цели. Этот процесс продолжается, пока устройство не достигнет примерно четырех миль над поверхностью.

Лазерная навигация

Знание точного положения космического корабля необходимо для расчетов, значимых для планирования и выполнения механического снижения для точной посадки. В процессе 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 землю.

Свет от этих лучей отражается от поверхности, возвращаясь обратно на космический корабль. Время прохождения и длина волны отраженного света используются для расчета того, насколько далеко корабль от земли, в каком направлении он движется и насколько быстро он это делает. Эти расчеты производятся 20 раз в секунду для всех трех лазерных лучей и передаются в компьютер для дальнейшего наведения. Доплеровский лидар успешно работает на Земле. Однако Фарзин Амзаджердян, соавтор технологии и главный ученый из Исследовательского центра Лэнгли НАСА в Хэмптоне, штат Вирджиния, отвечает за решение проблем, связанных с его использованием в космосе.

«До сих пор неизвестно, сколько сигналов будет приходить с поверхности Луны и Марса», - сказал он. Если материал на земле имеет слабые отражающие свойства, обратный сигнал на датчики, следовательно, тоже 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

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 раннем этапе, показали, что существующие компьютеры не подходят. Высокопроизводительный вычислительный процессор НАСА для космических полетов удовлетворяет спрос, но уже через несколько лет этого будет мало.

Требовалось временное решение, чтобы подготовить SPLICE к своему первому полету. Данные о производительности нового компьютера помогут определить его возможную замену. Джон Карсон, менеджер по интеграции технологий для точной посадки, объяснил, что «суррогатный компьютер имеет очень похожую технологию обработки, которая используется как при разработке будущего высокоскоростного компьютера, так и в будущих усилиях по интеграции компьютеров для спуска и посадки». Забегая вперед, подобные испытательные миссии помогут сформировать системы безопасной посадки для последующих 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. «Пока нет коммерческих технологий, которые можно было бы купить для этого. Каждая будущая наземная миссия может использовать эту возможность точной посадки, поэтому НАСА должны удовлетворить эту потребность сейчас».