美国宇航局技术可以在没有飞行员的情况下实现精密着陆和危险 - 避免

新谢泼德助推器土地

2019年5月2日ns11期间,新谢泼德(NS)助推器在该运载器的第五次飞行后着陆。信贷:蓝色起源

在我们的太阳系中的一些最有趣的学习场所在最荒凉的环境中发现 - 但在任何行星身体上的着陆已经存在了风险的命题。和美国宇航局计划机器人和载人任务到月球的新地点火星,避免在火山口或巨石场的陡坡上着陆对于帮助确保安全触摸其他世界的表面勘探至关重要。为了提高着陆安全,美国宇航局正在开发和测试一套精确的着陆和危险避免技术。

激光传感器、摄像机、高速计算机和复杂算法的组合将赋予航天器人造眼睛和分析能力,以找到指定的着陆区域,识别潜在危险,并调整航向到最安全的着陆地点。在空间技术任务局的“改变游戏规则的发展计划”中,安全精确着陆综合能力发展(SPLICE)项目开发的技术最终将使航天器避免巨石、火山口、更多的着陆区域有半个足球场那么大,被认为是相对安全的。


新的月球着陆技术套件,称为安全和精确的着陆集成能力进化(拼接),将使比以往任何时候都更加安全和更准确的月球着陆。未来的月亮任务可以使用美国国家航空航天局的先进拼接算法和传感器来定位在阿波罗任务期间不可能的着陆场地,例如带有危险巨石和附近的阴影陨石坑的地区。拼接技术也可以帮助土地在火星上。来源:美国国家航空航天局

SPLICE的四个主要子系统中的三个将在即将到来的任务中在蓝色起源新谢巴德火箭上进行首次综合测试飞行。当火箭助推器返回地面时,在到达地球大气层和空间的边界后,SPLICE的地形相对导航,导航多普勒激光雷达,以及下降和着陆计算机将运行在助推器上。当它们接近月球表面时,每一个都将以同样的方式运作。

第四个主要接头组分,危险检测激光雷达将通过地面和飞行试验在未来进行测试。

面包屑后

在选择勘探地点时,要考虑的一部分是确保有足够的空间让航天器着陆。这个被称为着陆椭圆的区域的大小揭示了传统着陆技术的不精确本质。1968年阿波罗11号的目标着陆区域大约是11英里乘3英里,宇航员驾驶着陆器。随后的火星机器人任务被设计为自动着陆。10年后,维京号到达了这颗红色星球,目标椭圆长174英里,宽62英里。

阿波罗11号着陆椭圆

阿波罗11号着陆的椭圆,在这里显示,是11英里乘3英里。精确着陆技术将大大减少着陆面积,允许多个任务在同一区域着陆。来源:美国国家航空航天局

技术有所改善,随后的自主着陆区的尺寸减少。2012年,富士队着陆椭圆偏向4英里。

能够精确定位着陆现场将有助于未来的任务目标领域,以前认为对于未被危险的地区的地点进行新的科学探索。它还将启用先进的供应任务,将货物和用品发送到一个位置,而不是分布在数英里。

每个行星都有其独特的条件。项目经理罗恩·索斯塔里克(Ron Sostaric)说,这就是为什么“SPLICE被设计为与任何在行星或月球上着陆的航天器集成。”Sostaric在休斯顿的NASA约翰逊航天中心解释说,这个项目跨越了NASA的多个中心。

NASA地形相对导航

通过将实时图像与下降期间的已知表面特征的已知地图进行比较,地形相对导航提供了导航测量。来源:美国国家航空航天局

“我们的建筑是一个完整的下降和着陆系统,将为未来的Artemis任务致力于月球,可以适应火星,”他说。“我们的工作是将各个组件放在一起,并确保它作为一个运行系统。”

大气条件可能会有所不同,但下降和着陆的过程是一样的。拼接计算机被编程为激活地面上方几英里的地形相对导航。板载相机拍摄表面,每秒占用10张照片。这些被连续送入计算机,这是用着陆场的卫星图像预加载的,以及已知地标的数据库。

算法搜索已知功能的实时图像,以确定航天器定位并安全地向其预期着陆点导航工艺。它类似于通过地标,如建筑物,而不是街道名称。

以同样的方式,地形相对导航识别航天器是并将该信息发送到指导和控制计算机的位置,该指导和控制计算机负责将飞行路径执行到表面。计算机将近似地知道航天器应接近其目标,几乎像铺设面包屑,然后跟随它们到最终目的地。

该过程持续到表面大约四英里。

激光导航

了解航天器的确切位置对于计划所需的计算是必不可少的,以便对精确降落进行动力下降。中途穿过下降,电脑打开导航多普勒利达,测量速度和范围测量,进一步添加到来自地形相对导航的精确导航信息。LIDAR(光检测和测距)与雷达的方式与雷达相同,但使用光波而不是无线电波。三个激光束,每个较窄作为铅笔,朝向地面指向。来自这些梁的光从表面反弹,反射向航天器反射。

NASA导航多普勒激光雷达仪器

NASA的导航多普勒激光雷达仪器由一个底盘,包含光电和电子元件,以及一个带有三个望远镜的光学头组成。来源:美国国家航空航天局

反射光的行进时间和波长用于计算工艺从地面的距离,它是什么方向,它的转向有多快。对于所有三个激光束并馈入引导计算机,这些计算由每秒20次进行。

多普勒激光雷达在地球上工作成功。然而,这项技术的共同发明人、来自弗吉尼亚州汉普顿的NASA兰利研究中心的首席研究员法尔津·阿姆扎杰迪安(Farzin Amzajerdian)负责解决在太空中使用的挑战。

“仍有一些未知的信号是多少信号从月亮和火星的表面上来,”他说。如果地面上的材料不是非常反射的,则回到传感器的信号将较弱。但是Amzajerdian相信LIDAR将优于雷达技术,因为激光频率比无线电波的数量级大,这使得能够更高的精度和更有效的感测。

Langley工程师John Savage

兰利公司的工程师约翰·萨维奇正在检查导航多普勒激光雷达装置的一部分,该装置是由一块金属制成的。来源:美国宇航局/大卫·c·鲍曼

负责管理所有这些数据的Workhorse是下降和降落的计算机。来自传感器系统的导航数据被馈送到板载算法,该算法计算精确着陆的新途径。

电脑厂家

下降和降落计算机同步各个拼接组件的功能和数据管理。它还必须与任何航天器上的其他系统无缝集成。因此,这款小型计算能力使精密着陆技术能够超载主要飞行计算机。

提前确定的计算需求明确表示现有计算机不充分。美国宇航局的高性能空间计算处理器将满足需求,但仍然始终仍未完成。需要一个临时解决方案来准备拼接,为其新的谢泼德火箭的蓝色起源进行了第一个副岩体火箭飞行试验。来自新计算机性能的数据将有助于塑造其最终更换。

SPLICE硬件真空室试验

接头硬件正在进行真空室测试的准备。三个拼接的四个主要子系统将在蓝色起源新的谢泼德火箭上有他们的第一个综合测试飞行。来源:美国国家航空航天局

精密着陆的技术集成经理John Carson解释说,“代理计算机具有非常相似的加工技术,这是通知未来的高速计算机设计,以及未来的下降和降落计算机集成工作。”

展望未来,类似这样的测试任务将有助于美国宇航局和商业供应商在月球和其他太阳系天体表面的任务中塑造安全着陆系统。

“安全,精确地着陆另一个世界仍有许多挑战,”卡森说。“还没有商业技术,但你可以出去购买。每个未来的表面任务都可以使用这种精密着陆能力,因此NASA现在需要的会议。我们正在促进转让和使用我们的行业合作伙伴。“

1评论“美国宇航局技术能够在没有飞行员的情况下实现精密着陆和危险 - 避免”

  1. 布鲁斯汤普森|2020年9月20日晚上10:04|回复

    “该地区的大小,称为着陆椭圆,揭示了遗产着陆技术的不精确性。1968年的Apollo 11的目标着陆区约为3英里,“
    这篇文章没有提到“不精确的遗留着陆技术”,后来变得如此……精确……以至于后来的阿波罗任务恰好着陆在大x标记的地方。事实上,阿波罗12号,这个系统是如此精确,以至于其中一个程序员问皮特·康拉德,他是想在包含“探测者3号”的陨石坑边缘着陆,还是“在”陨石坑里着陆。
    康拉德选择了边缘。

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