211service.com
Hoe veilig terug op de maan te landen?
Ingenieurs bij de Charles Stark Draper-laboratorium in Cambridge, MA, ontwikkelen een geleidings-, navigatie- en controlesysteem voor maanlandingen met een boordgevarendetectiesysteem dat kraters, hellingen en rotsen kan detecteren die gevaarlijk kunnen zijn voor landingsvaartuigen. Bij de Apollo-missies van 40 jaar geleden stuurden astronauten de lander naar een veilige plek door uit het raam te kijken; de lander zelf had geen ogen, zegt Eldon Hall, een gepensioneerde Draper-ingenieur en een van de oorspronkelijke elektronica-ontwerpers voor Apollo's navigatiecomputer.
Terug naar de maan: Altaïr is NASA's volgende generatie maanlander, groter dan de Apollo-lander maar met vergelijkbare ontwerpkenmerken. Het zal vier astronauten vervoeren.
Dat betekende dat er wat nauwe contacten waren met Apollo, zegt Tye Brady, de technisch directeur voor maanlanding bij Draper, die vorige week de geautomatiseerde landings- en risicovermijdingstechnologie van zijn team demonstreerde tijdens de viering van de 40e verjaardag van Apollo 11 . Ze waren heel dichtbij, zegt Brady, en kraters van één tot twee meter zijn dodelijk. Je ziet ze pas op het laatste moment. Apollo 11 astronaut Neil Armstrong moest langs een veld met rotsen sturen dat vooraf niet op verkenningsfoto's was te zien, en Apollo 14 landde op een precaire helling met een voetzool op ongeveer een meter afstand van een krater.
Het nieuwe navigatie- en geleidingssysteem wordt ontwikkeld voor NASA's Altaïr maanlander , die volgens planning tegen 2020 op de maan zal landen als onderdeel van de Constellatie programma . Het project wordt geleid door NASA's Johnson Space Center, met steun van andere NASA-onderzoeksfaciliteiten naast Draper Laboratory. De Jet Propulsion Laboratory heeft onlangs een veldtest van de sensoren en mapping-algoritmen voltooid, en het is van plan om in mei 2010 met volledige systeemtests te beginnen.
Brady zegt dat de beste beeldresolutie van vandaag, zoals de camera's in de orbiter die nu rond de maan cirkelen en de maan fotograferen, kleinere gaten of rotsblokken op geprojecteerde landingsplaatsen niet kunnen oplossen, zelfs niet in gladde, goed verlichte gebieden - die niet het doelwit zijn voor NASA's toekomstige landingen. Altaïr streeft ernaar om op elke plek op het maanoppervlak capabel te landen, en het maanterrein zal variëren. Daarvoor, zegt Brady, heb je realtime gevarendetectie nodig om je aan te passen terwijl je bezig bent.
Het systeem van Draper zal LIDAR-lasertechnologie gebruiken om een gebied te scannen op gevaren zoals kraters of rotsen voordat de lander het maanoppervlak raakt. Ruwe gegevens van LIDAR worden verwerkt en samengevoegd tot een 3D-kaart van het maanoppervlak, met behulp van algoritmen die zijn ontwikkeld door het Jet Propulsion Laboratory. Een voordeel van het gebruik van LIDAR is dat het het enige type sensor is dat de 3D-vorm meet van wat zich op de grond bevindt met een hoge resolutie en vanaf grote hoogte, zegt Andrew Johnson, de JPL-lead voor het gevarendetectiesysteem. Hierdoor kan het systeem een terrein- en hoogtekaart bouwen van potentiële landingsplaatsen aan boord van het ruimtevaartuig, maar van hoog genoeg om te reageren op obstakels of kraters op de landingsplaats.
In een mum van tijd landen: Het gesimuleerde geleidings-, navigatie- en controlesysteem van Draper Laboratory geeft prioriteit aan landingsplaatsen (gebieden 1, 2, 3, 4) in dit representatieve display. Astronauten kunnen een locatie van eerste keuze aanwijzen of standaard naar locatie nummer 1. Gevaren zoals keien en kraters zijn rood gemarkeerd voor realtime beslissingen over veilige landingsplaatsen.
Zodra de kaart is gemaakt, wijst het systeem veilige locaties aan op basis van factoren zoals de hellingshoek van het oppervlak, de afstand en brandstofkosten om een locatie te bereiken, de positie van de voetzolen van de lander en de marge van de bemanning voor veilige afstand tot gevaren. Op basis van die informatie presenteert het navigatiesysteem astronauten een lijst met prioriteiten van drie tot vier veilige landingsplaatsen. De astronauten kunnen dan een van de locaties als eerste keuze aanwijzen, of als ze onbekwaam zijn, navigeert het systeem de lander automatisch naar de eerste locatie op de lijst.
De mogelijkheid om autonoom te landen zal zowel bemande als robotmissies in staat stellen om veilig te landen, zegt Brady (hoewel Apollo's maanmodule een automatische landingsmodus had, werd deze nooit gebruikt). Naast NASA's Altaar, het systeem kan worden geïntegreerd in voertuigen die landen op asteroïden in de buurt van de aarde, Mars en andere planeten, of worden gebruikt met andere maanvoertuigen die door particuliere groepen zijn gebouwd.
Een ander voordeel van het gebruik van LIDAR, zegt Johnson, is dat het onder alle lichtomstandigheden werkt. Om met licht op de evenaar van de maan om te gaan - waar een dag gelijk is aan 14 aardse dagen en een nacht 14 aardse nachten duurt - moesten Apollo-missies precies worden getimed, met slechts één lanceringsmogelijkheid per maand, zodat NASA de blootstelling van het vaartuig kon regelen aan licht en warmte. Maar omdat de lichtomstandigheden aan de polen van de maan gevarieerder en extremer zijn, met lichte en donkere plekken in de schaduw van bergen en diepe kraters, zal het voor astronauten moeilijk zijn om te navigeren. Met LIDAR kan het vaartuig 's nachts of in schaduwrijke gebieden landen, omdat het licht wordt geleverd door de LIDAR-sensor, niet door de zon, zegt Johnson. Met realtime gevaardetectie, zegt hij, zullen de lancerings- en landingsbeperkingen van Apollo niet van toepassing zijn op toekomstige missies.
De uitdaging voor een landingssysteem, zegt Brady, is om alles in ongeveer 120 seconden te laten gebeuren, inclusief gevaardetectiescans om de gegevens te krijgen, menselijke interactie voor goedkeuring van de site en vervolgens manoeuvres om gevaren te vermijden en de landing te maken. Zijn team heeft een simulator ontwikkeld om realistische beeldkaarten van het maanoppervlak te maken, naast het gebruik van computercode van NASA voor het begeleidings- en navigatiegedeelte van het systeem. Tot nu toe hebben ongeveer 20 astronauten de Draper-simulatie getest. Ze zijn goed in langzaam en gemakkelijk gaan, en ze zijn erg geduldig, zegt Brady. Ze doen goed werk, vertrouwend op het systeem. Dat is ver verwijderd van de begintijd toen de Apollo-astronauten alles zelf wilden vliegen, zegt Hall.
Het Draper-team blijft high-fidelity-modellen van LIDAR en terreinkaarten ontwikkelen, terwijl het samen met NASA's bemanningskantoor de beste manier bepaalt om informatie voor astronauten weer te geven. Ze streven ernaar om de technologie in 2012 gereed te hebben.