Under de sista minuterna av en rymdfarkost som landar rör den sig i hypersonisk hastighet genom många lager av atmosfären. Att känna till luftdensiteten utanför fordonet kan ha en betydande effekt på dess nedstigningsvinkel och förmåga att träffa en specifik landningsplats. Men luftdensitetssensorer som tål de hårda hypersoniska förhållandena är ovanliga. En student från Nederländerna, arbetar med en flygingenjör vid University of Illinois i Urbana-Champaign, utvecklat en algoritm som kan köras ombord på ett fordon, tillhandahåller viktig realtidsdata för att hjälpa till att styra farkosten, särskilt under den avgörande ingången, härkomst, och landningssteg.

"Algorithmen vi skapade kan köras under flygning, ombord på fordonet och uppskatta hur atmosfären utanför är, sade Hamza El-Kebir, en grundutbildning vid Delfts tekniska universitet. "Så det här är en komplett spelförändring, för nu kan du använda förkunskaper om fordonets rörelse för att uppskatta luftdensiteten, informera dina beslut under flygning, och gör mindre ändringar i din kurs. Detta kan ge mer säkerhet att du kommer att träffa den platsen, istället för att ta itu med riktigt konservativ vägledning."

El-Kebir genomförde forskningen med Melkior Ornik, biträdande professor vid avdelningen för flygteknik vid U of I, under en termin utomlands och kommer att börja forskarskolan i Illinois till hösten. Han sa att hans arbete är nytt eftersom det använder data från sensorer som inte var avsedda att tillhandahålla luftdensitetsdata. "Den extraherar den densitetsinformationen från den genom att använda riktigt snygga algoritmer som inte kräver någon riktig kunskap om aerodynamiken eller atmosfären."

Ornik förklarade hur algoritmen lär sig luftdensiteten. "Algorithmen startar från nästan ingenting. Den vet ingenting om luftdensiteten. Den samlar in data från accelerometrar och gyroskop tillgängliga på alla fordon för att samla in data, och kombinerar det med förkunskaper om maximal accelerationshastighet för att få en tidsvarierande uppskattning av luftdensiteten. Och det blir, på sätt och vis, smartare med tiden. Den ändrar sina uppskattningar ombord, baserat på indata den tar emot."

El-Kebir och Ornik använde data som inhämtats från inlägget, härkomst, och landning av Phoenix-landaren – en vetenskapssond från Mars – som representerar de senaste 220 sekunderna, den ballistiska fasen, fram till fallskärmsplacering.

"Det finns ingen styrning i den senare delen av det stadiet, så det är verkligen viktigt att omedelbart känna till lufttätheten i det rarifierade flödet – från cirka 80 kilometer och uppåt. När den kommer in i den senare delen, dess flygvägsvinkel fixeras och fordonet bara går ner, och påverkas knappt av vindens riktning, " sa El-Kebir.

Tänk om Phoenix hade algoritmen?

"Om du känner till luftdensiteten, du kan uppskatta din anfallsvinkel i förhållande till vinden. Du kan också förutsäga hur tätheten kommer att bli i framtiden, så att du kan fatta beslut. Det fanns ingen kontroll på Phoenix under det ballistiska skedet. Om den hade kunskap om luftdensitet, det skulle ha haft en fördel. De kunde ha utnyttjat data och landat mer exakt."

Ornik sa att det ofta finns ett antagande om att det finns en fast modell som vi känner till i förväg och vi kommer på kontrollmetoder som leder fordonet till land. "Det är ofta ett starkt antagande. Det är ofta fel eftersom det inte bara handlar om luftdensitet. På grund av hastigheten och påverkan med luft, hypersoniska fordon ändrar form något under flygningen och det förändrar deras dynamik under flygningen."

"Så vi har inte en enhetlig modell som beskriver hela flygningen eftersom dynamiken förändras gradvis över tiden. Vi vet den maximala förändringshastigheten, så med den här algoritmen, vi kan utnyttja den kunskapen för att skapa en uppskattning, sa Ornik.

El-Kebir sa att det finns andra områden som denna kunskap kan tillämpas på, även utanför flyg och till och med fordon. Han tittar på sätt att använda det i elektrokirurgi för att förutsäga temperaturfältet under en kirurgisk operation så att kirurgen kan veta hur djupt skäret är.