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So landen Sie sicher wieder auf dem Mond
Ingenieure an der Charles Stark Draper Laboratory in Cambridge, MA, entwickeln ein Leit-, Navigations- und Kontrollsystem für Mondlandungen, das ein Gefahrenerkennungssystem an Bord umfasst, das Krater, Hänge und Felsen erkennen kann, die für Landungsboote gefährlich sein könnten. Bei den Apollo-Missionen vor 40 Jahren steuerten Astronauten den Lander durch einen Blick aus dem Fenster an einen sicheren Ort; der Lander selbst hatte keine Augen, sagt Eldon Hall, ein pensionierter Draper-Ingenieur und einer der ursprünglichen Elektronikdesigner für Apollos Navigationscomputer.
Zurück zum Mond: Altair ist der Mondlander der nächsten Generation der NASA, größer als der Apollo-Lander, aber mit ähnlichen Konstruktionsmerkmalen. Es wird vier Astronauten befördern.
Das bedeutete, dass es einige enge Gespräche mit Apollo gab, sagt Tye Brady, der technische Direktor für die Mondlandung bei Draper, der letzte Woche bei der Feier des 40 Apollo 11 . Sie waren sehr nah, sagt Brady, und ein bis zwei Meter hohe Krater sind tödlich. Sie sehen sie nicht bis zur letzten Minute. Apollo 11 Astronaut Neil Armstrong musste an einem Felsenfeld vorbeisteuern, das vorher auf keinem Aufklärungsfoto zu sehen war, und Apollo 14 landete in einer prekären Neigung mit einem Fußballen, der etwa einen Meter von einem Krater entfernt ruhte.
Das neue Navigations- und Leitsystem wird für die NASA entwickelt Altair Mondlander , die im Rahmen der bis 2020 auf dem Mond landen soll Aufstellungsprogramm . Das Projekt wird vom Johnson Space Center der NASA geleitet und wird neben dem Draper Laboratory von anderen NASA-Forschungseinrichtungen unterstützt. Der Labor für Strahlantrieb hat kürzlich einen Feldtest der Sensoren und Mapping-Algorithmen abgeschlossen und plant, im Mai 2010 mit vollständigen Systemtests zu beginnen.
Brady sagt, dass die beste Bildauflösung heute, wie etwa die Kameras auf dem Orbiter, die jetzt den Mond umkreisen und fotografieren, kleinere Löcher oder Felsbrocken an projizierten Landeplätzen nicht auflösen können, selbst in glatten, gut beleuchteten Bereichen – die nicht die Ziele sind Die zukünftigen Landungen der NASA. Altair zielt darauf ab, an jedem Ort auf der Mondoberfläche fähig zu landen, und das Mondgelände wird variieren. Dafür, sagt Brady, benötigen Sie Echtzeit-Gefahrenerkennung, um sich während der Fahrt anzupassen.
Das System von Draper wird die LIDAR-Lasertechnologie verwenden, um einen Bereich nach Gefahren wie Kratern oder Felsen zu scannen, bevor der Lander auf der Mondoberfläche aufsetzt. Rohdaten von LIDAR werden verarbeitet und mithilfe von Algorithmen, die vom Jet Propulsion Laboratory entwickelt wurden, zu einer 3D-Karte der Mondoberfläche zusammengefügt. Ein Vorteil der Verwendung von LIDAR besteht darin, dass es der einzige Sensortyp ist, der die 3D-Form des Bodens mit hoher Auflösung und aus großer Höhe misst, sagt Andrew Johnson, der JPL-Leiter für das Gefahrenerkennungssystem. Dadurch kann das System eine Gelände- und Höhenkarte potenzieller Landeplätze an Bord des Raumfahrzeugs erstellen, jedoch von hoch genug, um auf Hindernisse oder Krater am Landeplatz zu reagieren.
Landung zur Not: Das simulierte Leit-, Navigations- und Kontrollsystem von Draper Laboratory priorisiert Landeplätze (Bereiche 1, 2, 3, 4) in dieser repräsentativen Anzeige. Astronauten können einen Standort erster Wahl festlegen oder den Standort Nummer 1 vorgeben. Gefahren wie Felsbrocken und Krater werden rot hervorgehoben, um in Echtzeit Entscheidungen über sichere Landeplätze zu treffen.
Sobald die Karte erstellt ist, bestimmt das System sichere Standorte basierend auf Faktoren wie dem Neigungswinkel der Oberfläche, der Entfernung und den Treibstoffkosten, um zu einem Standort zu gelangen, der Position der Fußplatten des Landers und dem Sicherheitsabstand der Besatzung zu Gefahren. Basierend auf diesen Informationen präsentiert das Navigationssystem den Astronauten eine priorisierte Liste von drei bis vier sicheren Landeplätzen. Die Astronauten können dann einen der Orte als erste Wahl festlegen, oder wenn sie handlungsunfähig sind, navigiert das System den Lander automatisch zum ersten Ort auf seiner Liste.
Die Fähigkeit, autonom zu landen, wird es sowohl bemannten als auch robotischen Missionen ermöglichen, sicher zu landen, sagt Brady (während die Mondlandefähre von Apollo einen automatischen Landemodus hatte, wurde sie nie verwendet). Zusätzlich zu NASAs Altair, das System könnte in Fahrzeuge integriert werden, die auf erdnahen Asteroiden, dem Mars und anderen Planeten landen, oder mit anderen Mondfahrzeugen verwendet werden, die von privaten Gruppen gebaut wurden.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von LIDAR besteht laut Johnson darin, dass es unter allen Lichtverhältnissen funktioniert. Um mit Licht am Äquator des Mondes umzugehen – wo ein Tag 14 Erdentagen entspricht und eine Nacht 14 Erdnächte dauert – mussten Apollo-Missionen mit nur einer Startgelegenheit pro Monat genau zeitlich abgestimmt werden, damit die NASA die Exposition des Raumfahrzeugs kontrollieren konnte zu beleuchten und zu heizen. Aber da die Lichtverhältnisse an den Mondpolen vielfältiger und extremer sind, mit hellen und dunklen Flecken aus den Schatten der Berge und tiefen Kratern, wird es für Astronauten schwierig sein, zu navigieren. LIDAR ermöglicht es dem Schiff, nachts oder in schattigen Regionen zu landen, da das Licht vom LIDAR-Sensor und nicht von der Sonne geliefert wird, sagt Johnson. Mit der Gefahrenerkennung in Echtzeit, sagt er, gelten die Start- und Landebeschränkungen von Apollo nicht für zukünftige Missionen.
Die Herausforderung für ein Landesystem besteht laut Brady darin, alles in etwa 120 Sekunden zu erledigen, einschließlich Gefahrenerkennungsscans, um die Daten zu erhalten, menschliche Interaktion für die Standortgenehmigung und dann Gefahrenvermeidungsmanöver und Landung. Sein Team hat einen Simulator entwickelt, um realistische Bildkarten der Mondoberfläche zu erstellen, zusätzlich zum Einsatz von Computercode der NASA für den Führungs- und Navigationsteil des Systems. Bisher haben etwa 20 Astronauten die Draper-Simulation getestet. Sie sind gut darin, langsam und locker vorzugehen, und sie sind sehr geduldig, sagt Brady. Sie machen einen guten Job, indem sie sich auf das System verlassen. Das ist weit entfernt von den frühen Tagen, als die Apollo-Astronauten das Ganze selbst fliegen wollten, sagt Hall.
Das Draper-Team entwickelt weiterhin High-Fidelity-Modelle von LIDAR- und Geländekarten und stimmt sich mit dem Crew-Büro der NASA ab, um die beste Methode zur Anzeige von Informationen für Astronauten zu bestimmen. Bis 2012 soll die Technologie fertig sein.