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    La technologie de la NASA permet un atterrissage de précision sans pilote

    L'ellipse d'atterrissage d'Apollo 11, montré ici, était de 11 milles sur 3 milles. La technologie d'atterrissage de précision réduira considérablement la zone d'atterrissage, permettant à plusieurs missions d'atterrir dans la même région. Crédit :NASA

    Certains des endroits les plus intéressants à étudier dans notre système solaire se trouvent dans les environnements les plus inhospitaliers, mais atterrir sur n'importe quel corps planétaire est déjà une proposition risquée. Avec la planification de missions robotiques et en équipage de la NASA vers de nouveaux endroits sur la Lune et Mars, éviter d'atterrir sur la pente raide d'un cratère ou dans un champ de rochers est essentiel pour assurer un atterrissage en toute sécurité pour l'exploration en surface d'autres mondes. Afin d'améliorer la sécurité à l'atterrissage, La NASA développe et teste une suite de technologies précises d'atterrissage et d'évitement des dangers.

    Une combinaison de capteurs laser, un appareil photo, un ordinateur ultra-rapide, et des algorithmes sophistiqués donneront au vaisseau spatial les yeux artificiels et la capacité d'analyse pour trouver une zone d'atterrissage désignée, identifier les dangers potentiels, et ajustez le cap jusqu'au site d'atterrissage le plus sûr. Les technologies développées dans le cadre du projet Safe and Precise Landing—Integrated Capabilities Evolution (SPLICE) dans le cadre du programme Game Changing Development de la Direction des technologies spatiales permettront à terme aux engins spatiaux d'éviter les rochers, cratères, et plus dans des zones d'atterrissage deux fois plus petites qu'un terrain de football déjà ciblé comme relativement sûr.

    Trois des quatre sous-systèmes principaux de SPLICE auront leur premier vol d'essai intégré sur une fusée Blue Origin New Shepard lors d'une prochaine mission. Lorsque le propulseur de la fusée revient au sol, après avoir atteint la frontière entre l'atmosphère terrestre et l'espace, la navigation relative au terrain de SPLICE, Lidar de navigation Doppler, et l'ordinateur de descente et d'atterrissage fonctionnera à bord du booster. Chacun fonctionnera de la même manière qu'à l'approche de la surface de la Lune.

    Le quatrième composant principal de SPLICE, un lidar de détection de danger, seront testés à l'avenir via des essais au sol et en vol.

    La navigation relative au terrain fournit une mesure de navigation en comparant des images en temps réel à des cartes connues des caractéristiques de surface pendant la descente. Crédit :NASA

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    Lorsqu'un site est choisi pour l'exploration, une partie de la considération est d'assurer suffisamment d'espace pour un engin spatial pour atterrir. La taille de la zone, appelé l'ellipse d'atterrissage, révèle la nature inexacte de la technologie d'atterrissage héritée. La zone d'atterrissage ciblée pour Apollo 11 en 1968 était d'environ 11 milles sur 3 milles, et les astronautes ont piloté l'atterrisseur. Les missions robotiques ultérieures vers Mars ont été conçues pour des atterrissages autonomes. Viking est arrivé sur la planète rouge 10 ans plus tard avec une ellipse cible de 174 milles sur 62 milles.

    La technologie s'est améliorée, et les zones d'atterrissage autonomes ultérieures ont diminué en taille. En 2012, l'ellipse d'atterrissage du rover Curiosity était réduite à 12 milles sur 4 milles.

    Être capable de localiser un site d'atterrissage aidera les futures missions à cibler des zones pour de nouvelles explorations scientifiques dans des endroits précédemment jugés trop dangereux pour un atterrissage sans pilote. Il permettra également aux missions de ravitaillement avancées d'envoyer des cargaisons et des fournitures à un seul endroit, plutôt que de s'étaler sur des kilomètres.

    Chaque corps planétaire a ses propres conditions uniques. C'est pourquoi "SPLICE est conçu pour s'intégrer à tout engin spatial atterrissant sur une planète ou une lune, " a déclaré le chef de projet Ron Sostaric. Basé au Johnson Space Center de la NASA à Houston, Sostaric a expliqué que le projet s'étend sur plusieurs centres à travers l'agence.

    "Ce que nous construisons est un système complet de descente et d'atterrissage qui fonctionnera pour les futures missions Artemis vers la Lune et peut être adapté pour Mars, ", a-t-il déclaré. "Notre travail consiste à assembler les composants individuels et à nous assurer qu'il fonctionne comme un système fonctionnel."

    L'instrument lidar Doppler de navigation de la NASA est composé d'un châssis, contenant des composants électro-optiques et électroniques, et une tête optique avec trois télescopes. Crédit :NASA

    Les conditions atmosphériques peuvent varier, mais le processus de descente et d'atterrissage est le même. L'ordinateur SPLICE est programmé pour activer la navigation relative au terrain à plusieurs milles au-dessus du sol. La caméra embarquée photographie la surface, prendre jusqu'à 10 photos par seconde. Ceux-ci sont continuellement introduits dans l'ordinateur, qui est préchargé avec des images satellites du terrain d'atterrissage et une base de données de points de repère connus.

    Les algorithmes recherchent dans l'imagerie en temps réel les caractéristiques connues afin de déterminer l'emplacement de l'engin spatial et de diriger l'engin en toute sécurité jusqu'à son point d'atterrissage prévu. C'est similaire à la navigation via des points de repère, comme les bâtiments, plutôt que des noms de rue.

    De la même manière, la navigation relative au terrain identifie l'emplacement de l'engin spatial et envoie cette information à l'ordinateur de guidage et de contrôle, qui est responsable de l'exécution de la trajectoire de vol vers la surface. L'ordinateur saura approximativement quand le vaisseau spatial devrait s'approcher de sa cible, presque comme déposer de la chapelure puis les suivre jusqu'à la destination finale.

    Ce processus se poursuit jusqu'à environ quatre milles au-dessus de la surface.

    L'ingénieur de Langley John Savage inspecte une section de l'unité lidar Doppler de navigation après sa fabrication à partir d'un bloc de métal. Crédit :NASA/David C. Bowman

    Navigation laser

    Connaître la position exacte d'un engin spatial est essentiel pour les calculs nécessaires à la planification et à l'exécution d'une descente motorisée vers un atterrissage précis. Au milieu de la descente, l'ordinateur active le lidar Doppler de navigation pour mesurer les mesures de vitesse et de distance qui s'ajoutent aux informations de navigation précises provenant de la navigation relative au terrain. Le lidar (détection et télémétrie lumineuse) fonctionne à peu près de la même manière qu'un radar, mais utilise des ondes lumineuses au lieu d'ondes radio. Trois faisceaux laser, chacun aussi étroit qu'un crayon, sont pointés vers le sol. La lumière de ces faisceaux rebondit sur la surface, reflétant vers le vaisseau spatial.

    Le temps de trajet et la longueur d'onde de cette lumière réfléchie sont utilisés pour calculer à quelle distance l'engin est du sol, dans quelle direction il se dirige, et à quelle vitesse ça bouge. Ces calculs sont effectués 20 fois par seconde pour les trois faisceaux laser et introduits dans l'ordinateur de guidage.

    Le lidar Doppler fonctionne avec succès sur Terre. Cependant, Farzin Amzajerdian, le co-inventeur de la technologie et chercheur principal du Langley Research Center de la NASA à Hampton, Virginie, est chargé de relever les défis de l'utilisation dans l'espace.

    "Il y a encore des inconnues sur la quantité de signal qui viendra de la surface de la Lune et de Mars, " dit-il. Si la matière au sol n'est pas très réfléchissante, le signal de retour vers les capteurs sera plus faible. Mais Amzajerdian est convaincu que le lidar surpassera la technologie radar car la fréquence laser est supérieure à celle des ondes radio, ce qui permet une bien plus grande précision et une détection plus efficace.

    Le cheval de bataille responsable de la gestion de toutes ces données est l'ordinateur de descente et d'atterrissage. Les données de navigation des systèmes de capteurs sont transmises aux algorithmes embarqués, qui calculent de nouvelles voies pour un atterrissage précis.

    Matériel SPLICE en cours de préparation pour un test en chambre à vide. Trois des quatre principaux sous-systèmes de SPLICE auront leur premier vol d'essai intégré sur une fusée Blue Origin New Shepard. Crédit :NASA

    Centrale informatique

    L'ordinateur de descente et d'atterrissage synchronise les fonctions et la gestion des données de chaque composant SPLICE. Il doit également s'intégrer de manière transparente avec les autres systèmes de tout engin spatial. Donc, cette petite centrale informatique empêche les technologies d'atterrissage de précision de surcharger l'ordinateur de vol principal.

    Les besoins informatiques identifiés dès le début ont clairement montré que les ordinateurs existants étaient inadéquats. Le processeur de calcul de vol spatial hautes performances de la NASA répondrait à la demande, mais il est encore à plusieurs années de son achèvement. Une solution provisoire était nécessaire pour préparer SPLICE pour son premier essai en vol de fusée suborbitale avec Blue Origin sur sa fusée New Shepard. Les données des performances du nouvel ordinateur aideront à façonner son éventuel remplacement.

    John Carson, le responsable de l'intégration technique pour l'atterrissage de précision, a expliqué que "l'ordinateur de substitution a une technologie de traitement très similaire, qui informe à la fois la future conception d'ordinateurs à grande vitesse, ainsi que les futurs efforts d'intégration des ordinateurs de descente et d'atterrissage."

    Avoir hâte de, des missions de test comme celles-ci aideront à façonner des systèmes d'atterrissage sûrs pour les missions de la NASA et de fournisseurs commerciaux à la surface de la Lune et d'autres corps du système solaire.

    « Atterrir en toute sécurité et avec précision sur un autre monde comporte encore de nombreux défis, " a déclaré Carson. " Il n'y a pas encore de technologie commerciale que vous pouvez acheter pour cela. Chaque future mission de surface pourrait utiliser cette capacité d'atterrissage de précision, donc la réunion de la NASA qui a besoin maintenant. Et nous favorisons le transfert et l'utilisation avec nos partenaires de l'industrie."


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