Några av de mest intressanta platserna att studera i vårt solsystem finns i de mest ogästvänliga miljöerna – men att landa på vilken planetkropp som helst är redan ett riskabelt förslag. Med NASA planerar robotuppdrag och besättningsuppdrag till nya platser på månen och Mars, Att undvika att landa på den branta sluttningen av en krater eller i ett stenblock är avgörande för att säkerställa en säker landning för ytutforskning av andra världar. För att förbättra landningssäkerheten, NASA utvecklar och testar en serie exakta landnings- och riskundvikande teknologier.

En kombination av lasersensorer, en kamera, en höghastighetsdator, och sofistikerade algoritmer kommer att ge rymdfarkoster konstgjorda ögon och analytisk förmåga att hitta ett utsett landningsområde, identifiera potentiella faror, och justera kursen till den säkraste sättningsplatsen. Teknikerna som utvecklats under projektet Safe and Precise Landing—Integrated Capabilities Evolution (SPLICE) inom Space Technology Mission Directorate's Game Changing Development-program kommer så småningom att göra det möjligt för rymdfarkoster att undvika stenblock, kratrar, och mer inom landningsområden som är halva storleken på en fotbollsplan som redan är målad som relativt säker.

Tre av SPLICEs fyra huvuddelsystem kommer att ha sin första integrerade testflygning på en Blue Origin New Shepard-raket under ett kommande uppdrag. När raketens booster återgår till marken, efter att ha nått gränsen mellan jordens atmosfär och rymden, SPLICEs terräng relativa navigering, navigation Doppler lidar, och nedstignings- och landningsdator kommer att köras ombord på boostern. Var och en kommer att fungera på samma sätt som när de närmar sig månens yta.

Den fjärde stora SPLICE-komponenten, en riskdetekteringslidar, kommer att testas i framtiden via mark- och flygtester.

Efter Brödsmulor

När en plats väljs för utforskning, En del av övervägandet är att säkerställa tillräckligt med utrymme för en rymdfarkost att landa. Storleken på området, kallad landningsellipsen, avslöjar den inexakta karaktären hos äldre landningsteknik. Det riktade landningsområdet för Apollo 11 1968 var cirka 11 miles gånger 3 miles, och astronauter styrde landaren. Efterföljande robotuppdrag till Mars designades för autonoma landningar. Viking anlände till den röda planeten 10 år senare med en målellips på 174 miles gånger 62 miles.

Tekniken har förbättrats, och efterföljande autonoma landningszoner minskade i storlek. Under 2012, Curiosity roverlandningsellipsen var nere på 12 miles gånger 4 miles.

Att kunna lokalisera en landningsplats kommer att hjälpa framtida uppdrag att inrikta sig på områden för nya vetenskapliga utforskningar på platser som tidigare ansetts vara för farliga för en opoterad landning. Det kommer också att göra det möjligt för avancerade leveransuppdrag att skicka last och förnödenheter till en enda plats, snarare än att sprida sig över mil.

Varje planetkropp har sina egna unika förutsättningar. Det är därför "SPLICE är designad för att integreras med alla rymdfarkoster som landar på en planet eller måne, " sa projektledaren Ron Sostaric. Baserad på NASA:s Johnson Space Center i Houston, Sostaric förklarade att projektet sträcker sig över flera centra över hela byrån.

"Det vi bygger är ett komplett nedstignings- och landningssystem som kommer att fungera för framtida Artemis-uppdrag till månen och kan anpassas för Mars, "Vårt jobb är att sätta ihop de enskilda komponenterna och se till att det fungerar som ett fungerande system."

Atmosfäriska förhållanden kan variera, men processen för nedstigning och landning är densamma. SPLICE-datorn är programmerad att aktivera terrängrelativ navigering flera mil över marken. Kameran ombord fotograferar ytan, tar upp till 10 bilder varje sekund. Dessa matas kontinuerligt in i datorn, som är förladdad med satellitbilder av landningsfältet och en databas med kända landmärken.

Algoritmer söker i realtidsbilderna efter de kända funktionerna för att bestämma rymdfarkostens plats och navigera farkosten säkert till dess förväntade landningspunkt. Det liknar att navigera via landmärken, som byggnader, snarare än gatunamn.

På samma sätt, terrängrelativ navigering identifierar var rymdfarkosten är och skickar den informationen till väglednings- och kontrolldatorn, som ansvarar för att utföra flygbanan till ytan. Datorn kommer att veta ungefär när rymdfarkosten bör närma sig sitt mål, nästan som att lägga ströbröd och sedan följa dem till slutdestinationen.

Denna process fortsätter till cirka fyra miles över ytan.

Lasernavigering

Att veta den exakta positionen för en rymdfarkost är avgörande för de beräkningar som krävs för att planera och utföra en motornedstigning till exakt landning. Halvvägs genom nedstigningen, datorn slår på navigeringsdoppler lidar för att mäta hastighet och avståndsmätningar som ytterligare lägger till den exakta navigeringsinformationen som kommer från terrängrelativ navigering. Lidar (ljusdetektering och avstånd) fungerar på ungefär samma sätt som en radar men använder ljusvågor istället för radiovågor. Tre laserstrålar, var och en smal som en penna, pekar mot marken. Ljuset från dessa strålar studsar från ytan, reflekterar tillbaka mot rymdfarkosten.

Restiden och våglängden för det reflekterade ljuset används för att beräkna hur långt farkosten är från marken, vilken riktning det är på väg, och hur snabbt det rör sig. Dessa beräkningar görs 20 gånger per sekund för alla tre laserstrålarna och matas in i styrdatorn.

Doppler lidar fungerar framgångsrikt på jorden. Dock, Farzin Amzajerdian, teknikens meduppfinnare och huvudutredare från NASA:s Langley Research Center i Hampton, Virginia, ansvarar för att ta itu med utmaningarna för användning i rymden.

"Det är fortfarande okänt om hur mycket signal som kommer från ytan på månen och Mars, " sa han. Om material på marken inte är särskilt reflekterande, signalen tillbaka till sensorerna blir svagare. Men Amzajerdian är övertygad om att lidar kommer att överträffa radarteknik eftersom laserfrekvensen är storleksordningar större än radiovågor, vilket möjliggör mycket större precision och effektivare avkänning.

Arbetshästen som ansvarar för att hantera all denna data är nedstignings- och landningsdatorn. Navigationsdata från sensorsystemen matas till inbyggda algoritmer, som beräknar nya vägar för en exakt landning.

Datorkraftverk

Nedstignings- och landningsdatorn synkroniserar funktionerna och datahanteringen för enskilda SPLICE-komponenter. Det måste också integreras sömlöst med de andra systemen på alla rymdfarkoster. Så, detta lilla datorkraftverk hindrar precisionslandningstekniken från att överbelasta den primära flygdatorn.

De beräkningsbehov som tidigt identifierades gjorde det klart att befintliga datorer var otillräckliga. NASA:s högpresterande processor för rymdfärder skulle möta efterfrågan men är fortfarande flera år från färdigställandet. En interimistisk lösning behövdes för att få SPLICE redo för sitt första suborbitala raketflygtest med Blue Origin på sin New Shepard-raket. Data från den nya datorns prestanda kommer att hjälpa till att forma dess eventuella ersättning.

John Carson, den tekniska integrationschefen för precisionslandning, förklarade att "surrogatdatorn har mycket liknande bearbetningsteknik, som informerar både om framtidens höghastighetsdatordesign, såväl som framtida integrationssatsningar för nedstigning och landning."

Ser fram emot, testuppdrag som dessa kommer att hjälpa till att forma säkra landningssystem för uppdrag av NASA och kommersiella leverantörer på ytan av månen och andra solsystemkroppar.

"Att säkert och exakt landa på en annan värld har fortfarande många utmaningar, ", sa Carson. "Det finns ingen kommersiell teknologi ännu som du kan gå ut och köpa för detta. Varje framtida ytuppdrag skulle kunna använda denna precisionslandningsförmåga, så NASA möter det behovet nu. Och vi främjar överföringen och användningen med våra branschpartners."