تتيح تقنية ناسا الهبوط الدقيق وتجنب المخاطر بدون طيار

يهبط معزز New Shepard (NS) بعد الرحلة الخامسة لهذه السيارة خلال NS-11 2 مايو 2019. Credit: Blue Origin

توجد بعض الأماكن الأكثر إثارة للاهتمام للدراسة في نظامنا الشمسي في أكثر البيئات قسوة – لكن الهبوط على أي جسم كوكبي هو بالفعل اقتراح محفوف بالمخاطر. مع ناسا تخطيط مهام آلية وطاقم إلى مواقع جديدة على القمر و كوكب المريخ، فإن تجنب الهبوط على منحدر شديد الانحدار في فوهة بركان أو في حقل صخري أمر بالغ الأهمية للمساعدة في ضمان ملامسة آمنة لاستكشاف سطح العوالم الأخرى. من أجل تحسين سلامة الهبوط ، تعمل ناسا على تطوير واختبار مجموعة من تقنيات الهبوط الدقيق وتجنب المخاطر.

مزيج من مستشعرات الليزر ، وكاميرا ، وجهاز كمبيوتر عالي السرعة ، وخوارزميات متطورة ستمنح المركبة الفضائية عيونًا اصطناعية وقدرة تحليلية للعثور على منطقة هبوط محددة ، وتحديد المخاطر المحتملة ، وضبط المسار إلى موقع الهبوط الأكثر أمانًا. ستتيح التقنيات التي تم تطويرها في إطار مشروع الهبوط الآمن والدقيق – تطوير القدرات المتكاملة (SPLICE) ضمن برنامج تطوير تغيير اللعبة التابع لمديرية بعثة تكنولوجيا الفضاء في نهاية المطاف للمركبة الفضائية تجنب الصخور والحفر والمزيد داخل مناطق الهبوط التي يبلغ حجمها نصف حجم a ملعب كرة قدم مستهدف بالفعل باعتباره آمنًا نسبيًا.

https://www.youtube.com/watch؟v=q8M2MsHeC9A
ستتيح مجموعة جديدة من تقنيات الهبوط على سطح القمر ، تسمى الهبوط الآمن والدقيق – تطور القدرات المتكاملة (SPLICE) ، عمليات هبوط أكثر أمانًا ودقة على سطح القمر أكثر من أي وقت مضى. يمكن لبعثات القمر المستقبلية أن تستخدم خوارزميات SPLICE المتقدمة وأجهزة الاستشعار التابعة لناسا لاستهداف مواقع الهبوط التي لم تكن ممكنة خلال بعثات أبولو ، مثل المناطق التي بها صخور خطرة وحفر مظللة قريبة. يمكن أن تساعد تقنيات SPLICE أيضًا على هبوط البشر على المريخ. الائتمان: ناسا

سيكون لثلاثة من الأنظمة الفرعية الأربعة الرئيسية لـ SPLICE أول رحلة تجريبية متكاملة لها على صاروخ Blue Origin New Shepard خلال مهمة قادمة. مع عودة معزز الصاروخ إلى الأرض ، بعد الوصول إلى الحد الفاصل بين الغلاف الجوي للأرض والفضاء ، سيتم تشغيل نظام الملاحة النسبي للتضاريس ، ونظام الملاحة دوبلر ليدار ، وحاسوب الهبوط والهبوط على متن الداعم. سيعمل كل منها بنفس الطريقة التي سيعمل بها عند الاقتراب من سطح القمر.

سيتم اختبار مكون SPLICE الرئيسي الرابع ، وهو جهاز الكشف عن المخاطر ، في المستقبل من خلال الاختبارات الأرضية والطيران.

بعد فتات الخبز

عندما يتم اختيار موقع للاستكشاف ، فإن جزءًا من الاعتبار هو ضمان مساحة كافية لمركبة فضائية للهبوط. يكشف حجم المنطقة ، التي تسمى القطع الناقص للهبوط ، عن الطبيعة غير الدقيقة لتقنية الهبوط القديمة. كانت منطقة الهبوط المستهدفة لأبولو 11 في عام 1968 حوالي 11 ميلًا في 3 أميال ، وقام رواد الفضاء بتجريب المسبار. تم تصميم البعثات الآلية اللاحقة إلى المريخ للهبوط الذاتي. وصل الفايكنج إلى الكوكب الأحمر بعد 10 سنوات مع وجود قطع ناقص يبلغ 174 ميلاً في 62 ميلاً.

كان القطع الناقص لهبوط أبولو 11 ، الموضح هنا ، يبلغ 11 ميلاً في 3 أميال. ستعمل تقنية الهبوط الدقيق على تقليل مساحة الهبوط بشكل كبير ، مما يسمح بمهمات متعددة بالهبوط في نفس المنطقة. الائتمان: ناسا

تحسنت التكنولوجيا ، وتناقص حجم مناطق الهبوط المستقلة اللاحقة. في عام 2012 ، انخفض الشكل البيضاوي للهبوط لمركبة كيوريوسيتي إلى 12 ميلاً في 4 أميال.

ستساعد القدرة على تحديد موقع الهبوط البعثات المستقبلية على المناطق المستهدفة للاستكشافات العلمية الجديدة في المواقع التي كانت تعتبر في السابق خطرة للغاية بالنسبة للهبوط غير المأهول. كما سيمكن مهمات الإمداد المتقدمة من إرسال البضائع والإمدادات إلى موقع واحد ، بدلاً من الانتشار على بعد أميال.

كل جسم كوكبي له ظروفه الفريدة. لهذا السبب “تم تصميم SPLICE للتكامل مع أي مركبة فضائية تهبط على كوكب أو قمر ،” قال مدير المشروع رون سوستاريك. من مقره في مركز جونسون للفضاء التابع لناسا في هيوستن ، أوضح سوستاريك أن المشروع يمتد على عدة مراكز في جميع أنحاء الوكالة.

يوفر التنقل النسبي للتضاريس قياسًا للملاحة من خلال مقارنة الصور في الوقت الفعلي بالخرائط المعروفة لميزات السطح أثناء الهبوط. الائتمان: ناسا

وقال: “ما نبنيه هو نظام هبوط وهبوط كامل سيعمل من أجل بعثات Artemis المستقبلية إلى القمر ويمكن تكييفه مع المريخ”. “مهمتنا هي تجميع المكونات الفردية معًا والتأكد من أنها تعمل كنظام فعال.”

قد تختلف ظروف الغلاف الجوي ، لكن عملية الهبوط والهبوط هي نفسها. تمت برمجة كمبيوتر SPLICE لتنشيط التنقل النسبي للتضاريس على بعد عدة أميال فوق سطح الأرض. تقوم الكاميرا المدمجة بتصوير السطح ، وتلتقط ما يصل إلى 10 صور كل ثانية. يتم إدخالها باستمرار في الكمبيوتر ، وهو محمّل مسبقًا بصور الأقمار الصناعية لحقل الهبوط وقاعدة بيانات للمعالم المعروفة.

تبحث الخوارزميات في الصور في الوقت الفعلي عن الميزات المعروفة لتحديد موقع المركبة الفضائية والتنقل بالمركبة بأمان إلى نقطة الهبوط المتوقعة. إنه مشابه للتنقل عبر المعالم ، مثل المباني ، بدلاً من أسماء الشوارع.

وبنفس الطريقة ، يحدد التنقل النسبي للتضاريس مكان وجود المركبة الفضائية ويرسل تلك المعلومات إلى كمبيوتر التوجيه والتحكم ، وهو المسؤول عن تنفيذ مسار الرحلة إلى السطح. سيعرف الكمبيوتر تقريبًا متى يجب أن تقترب المركبة الفضائية من هدفها ، تقريبًا مثل وضع فتات الخبز ثم تتبعها إلى الوجهة النهائية.

تستمر هذه العملية حتى أربعة أميال تقريبًا فوق السطح.

الملاحة بالليزر

تعد معرفة الموقع الدقيق للمركبة الفضائية أمرًا ضروريًا للحسابات اللازمة لتخطيط وتنفيذ هبوط آلي للهبوط الدقيق. في منتصف الطريق خلال الهبوط ، يقوم الكمبيوتر بتشغيل نظام الملاحة Doppler lidar لقياس السرعة وقياسات النطاق التي تضيف إلى معلومات الملاحة الدقيقة القادمة من التنقل النسبي للتضاريس. يعمل Lidar (كشف الضوء وتحديد المدى) بنفس طريقة عمل الرادار ولكنه يستخدم موجات الضوء بدلاً من موجات الراديو. ثلاثة أشعة ليزر ، كل منها ضيقة مثل قلم الرصاص ، موجهة نحو الأرض. يرتد الضوء الصادر من هذه الحزم عن السطح ، ليعكس اتجاه المركبة الفضائية.

تتكون أداة دوبلر ليدار للملاحة التابعة لناسا من هيكل ، يحتوي على مكونات إلكترونية وبصرية كهربائية ، ورأس بصري به ثلاثة تلسكوبات. الائتمان: ناسا

يتم استخدام وقت السفر والطول الموجي لهذا الضوء المنعكس لحساب المسافة التي تبعدها المركبة عن الأرض ، والاتجاه الذي تتجه إليه ، ومدى سرعة تحركها. يتم إجراء هذه الحسابات 20 مرة في الثانية لجميع أشعة الليزر الثلاثة ويتم إدخالها في كمبيوتر التوجيه.

يعمل دوبلر ليدار بنجاح على الأرض. ومع ذلك ، فإن Farzin Amzajerdian ، المخترع المشارك في التكنولوجيا والباحث الرئيسي من مركز أبحاث Langley التابع لناسا في هامبتون ، فيرجينيا ، مسؤول عن مواجهة تحديات الاستخدام في الفضاء.

وقال: “لا يزال هناك بعض المجهول حول مقدار الإشارة التي ستأتي من سطح القمر والمريخ”. إذا كانت المادة الموجودة على الأرض غير عاكسة للغاية ، فإن الإشارة إلى أجهزة الاستشعار ستكون أضعف. لكن Amzajerdian واثق من أن الليدار سيتفوق على تقنية الرادار لأن تردد الليزر أكبر بكثير من موجات الراديو ، مما يتيح دقة أكبر واستشعارًا أكثر كفاءة.

مهندس لانجلي جون سافاج يتفقد قسم من وحدة دوبلر ليدار الملاحية بعد تصنيعها من كتلة معدنية. الائتمان: ناسا / ديفيد سي بومان

العمود الفقري المسؤول عن إدارة كل هذه البيانات هو كمبيوتر الهبوط والهبوط. يتم تغذية بيانات الملاحة من أنظمة الاستشعار إلى خوارزميات على متن الطائرة ، والتي تحسب مسارات جديدة لهبوط دقيق.

قوة الكمبيوتر

يقوم كمبيوتر الهبوط والهبوط بمزامنة الوظائف وإدارة البيانات لمكونات SPLICE الفردية. يجب أيضًا أن تتكامل بسلاسة مع الأنظمة الأخرى على أي مركبة فضائية. لذلك ، يحافظ مركز الحوسبة الصغير هذا على تقنيات الهبوط الدقيقة من التحميل الزائد على كمبيوتر الرحلة الأساسي.

أوضحت الاحتياجات الحسابية التي تم تحديدها في وقت مبكر أن أجهزة الكمبيوتر الحالية غير كافية. سوف يلبي معالج الحوسبة الفضائية عالي الأداء التابع لوكالة ناسا الطلب ولكن لا يزال هناك عدة سنوات على الانتهاء. كانت هناك حاجة إلى حل مؤقت لتجهيز SPLICE لأول اختبار طيران للصاروخ شبه المداري باستخدام Blue Origin على صاروخ New Shepard. ستساعد البيانات من أداء الكمبيوتر الجديد في تشكيل استبداله النهائي.

أجهزة SPLICE تخضع لتحضيرات اختبار غرفة التفريغ. سيكون لثلاثة من الأنظمة الفرعية الأربعة الرئيسية لـ SPLICE أول رحلة تجريبية متكاملة لها على صاروخ Blue Origin New Shepard. الائتمان: ناسا

أوضح جون كارسون ، مدير التكامل التقني للهبوط الدقيق ، أن “الكمبيوتر البديل لديه تقنية معالجة متشابهة جدًا ، والتي تُعلم كل من تصميم الكمبيوتر عالي السرعة في المستقبل ، فضلاً عن جهود التكامل المستقبلية للكمبيوتر والهبوط.”

بالنظر إلى المستقبل ، ستساعد مهام الاختبار مثل هذه في تشكيل أنظمة هبوط آمنة للمهام التي تقوم بها وكالة ناسا والمزودون التجاريون على سطح القمر وأجسام النظام الشمسي الأخرى.

قال كارسون: “الهبوط بأمان ودقة في عالم آخر لا يزال يواجه العديد من التحديات”. “لا توجد تقنية تجارية حتى الآن يمكنك الخروج منها وشرائها. يمكن أن تستخدم كل مهمة سطحية مستقبلية هذه القدرة على الهبوط الدقيق ، لذا فإن اجتماع ناسا بحاجة الآن. ونحن نعزز النقل والاستخدام مع شركائنا في الصناعة “.