在最荒涼的環(huán)境中可以找到我們太陽(yáng)系中一些最有趣的研究場(chǎng)所，但是降落在任何行星體上已經(jīng)是一個(gè)危險(xiǎn)的提議。隨著NASA計(jì)劃用機(jī)器人和載人飛行任務(wù)前往月球和火星的新位置，避免著陸在隕石坑的陡峭斜坡或巨石場(chǎng)上著陸對(duì)于確保安全著陸以進(jìn)行其他世界的地面探測(cè)至關(guān)重要。為了提高著陸安全性，NASA正在開(kāi)發(fā)和測(cè)試一套精確的著陸和避免危險(xiǎn)技術(shù)。

激光傳感器，照相機(jī)，高速計(jì)算機(jī)和復(fù)雜算法的組合將為航天器提供人造眼睛和分析能力，以找到指定的著陸區(qū)，識(shí)別潛在危險(xiǎn)并調(diào)整航向最安全的著陸點(diǎn)。在太空技術(shù)任務(wù)局的“改變游戲規(guī)則”開(kāi)發(fā)計(jì)劃下，“安全和精確著陸—綜合能力演進(jìn)”(SPLICE)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的技術(shù)最終將使航天器能夠避免在大半個(gè)著陸區(qū)的著陸區(qū)內(nèi)避開(kāi)巨石，隕石坑等。足球場(chǎng)已經(jīng)成為相對(duì)安全的目標(biāo)。

在即將執(zhí)行的任務(wù)中，SPLICE的四個(gè)主要子系統(tǒng)中的三個(gè)將在Blue Origin New Shepard火箭上進(jìn)行首次綜合測(cè)試飛行。當(dāng)火箭的助推器返回地面后，到達(dá)地球大氣層和太空之間的邊界后，SPLICE的地形相對(duì)導(dǎo)航，導(dǎo)航多普勒激光雷達(dá)以及下降和著陸計(jì)算機(jī)將在助推器上運(yùn)行。每個(gè)人的工作方式都與接近月球表面時(shí)的工作方式相同。

SPLICE的第四個(gè)主要組件是危險(xiǎn)探測(cè)激光雷達(dá)，將來(lái)將通過(guò)地面和飛行測(cè)試進(jìn)行測(cè)試。

跟隨面包屑

選擇場(chǎng)地進(jìn)行探索時(shí)，考慮的一部分是確保有足夠的空間讓航天器著陸。該區(qū)域的大小稱(chēng)為著陸橢圓，揭示了傳統(tǒng)著陸技術(shù)的不精確本質(zhì)。1968年，阿波羅11號(hào)的目標(biāo)著陸區(qū)域約為11英里乘3英里，宇航員駕駛著陸器。隨后的火星機(jī)器人任務(wù)是為自主著陸設(shè)計(jì)的。十年后，維京人以174英里乘62英里的目標(biāo)橢圓到達(dá)了紅色星球。

技術(shù)得到了改善，隨后的自主著陸區(qū)的面積減小了。2012年，好奇號(hào)漫游者的降落橢圓降到了12英里乘4英里。

能夠精確定位著陸點(diǎn)將有助于未來(lái)的任務(wù)將目標(biāo)區(qū)域指定為以前認(rèn)為對(duì)無(wú)人駕駛著陸過(guò)于危險(xiǎn)的地點(diǎn)進(jìn)行新的科學(xué)探索。它還將使高級(jí)補(bǔ)給任務(wù)能夠?qū)⒇浳锖脱a(bǔ)給品發(fā)送到一個(gè)地點(diǎn)，而不是分散在數(shù)英里之內(nèi)。

每個(gè)行星體都有其獨(dú)特的條件。這就是為什么“ SPLICE旨在與降落在行星或月球上的任何航天器集成的原因，”項(xiàng)目經(jīng)理Ron Sostaric說(shuō)。Sostaric總部位于休斯敦的NASA約翰遜航天中心，他解釋說(shuō)該項(xiàng)目橫跨該機(jī)構(gòu)的多個(gè)中心。

他說(shuō)：“我們正在建造的是一個(gè)完整的下降和著陸系統(tǒng)，該系統(tǒng)將用于未來(lái)的阿耳emi彌斯登月任務(wù)，并可以適應(yīng)火星。” “我們的工作是將各個(gè)組件放在一起，并確保它可以正常運(yùn)行。”

大氣條件可能會(huì)有所不同，但下降和降落的過(guò)程是相同的。對(duì)SPLICE計(jì)算機(jī)進(jìn)行了編程，以激活距地面數(shù)英里的地形相對(duì)導(dǎo)航。機(jī)載相機(jī)拍攝表面，每秒最多拍攝10張照片。這些被連續(xù)地輸入到計(jì)算機(jī)中，該計(jì)算機(jī)預(yù)裝了著陸場(chǎng)的衛(wèi)星圖像和已知地標(biāo)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

算法搜索實(shí)時(shí)圖像中的已知特征，以確定航天器的位置，并安全地將航天器導(dǎo)航到其預(yù)??期的著陸點(diǎn)。這類(lèi)似于通過(guò)地標(biāo)(例如建筑物)導(dǎo)航，而不是通過(guò)街道名稱(chēng)導(dǎo)航。

以相同的方式，相對(duì)地形導(dǎo)航可識(shí)別航天器的位置，并將該信息發(fā)送至制導(dǎo)和控制計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行通往地面的飛行路徑。計(jì)算機(jī)將大概知道航天器何時(shí)應(yīng)該接近其目標(biāo)，就像放置面包屑然后將它們跟隨到最終目的地一樣。

這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到地面以上約四英里。

激光導(dǎo)航

知道航天器的確切位置對(duì)于計(jì)劃和執(zhí)行動(dòng)力下降以精確著陸所需的計(jì)算至關(guān)重要。下降途中，計(jì)算機(jī)打開(kāi)導(dǎo)航多普勒激光雷達(dá)以測(cè)量速度和距離測(cè)量值，從而進(jìn)一步增加來(lái)自地形相對(duì)導(dǎo)航的精確導(dǎo)航信息。激光雷達(dá)(光檢測(cè)和測(cè)距)的工作方式與雷達(dá)大致相同，但使用光波而不是無(wú)線電波。三束激光束，每個(gè)束束都像鉛筆一樣窄，指向地面。這些光束發(fā)出的光從表面反射回來(lái)，反射回航天器。

反射光的傳播時(shí)間和波長(zhǎng)用于計(jì)算飛行器離地面多遠(yuǎn)，前進(jìn)方向以及移動(dòng)速度。對(duì)于所有三個(gè)激光束，每秒進(jìn)行20次這些計(jì)算，并將其輸入到引導(dǎo)計(jì)算機(jī)中。

多普勒激光雷達(dá)在地球上成功運(yùn)行。但是，這項(xiàng)技術(shù)的共同發(fā)明人，弗吉尼亞州漢普頓市NASA蘭利研究中心的首席研究員Farzin Amzajerdian負(fù)責(zé)解決太空使用方面的挑戰(zhàn)。

他說(shuō)：“關(guān)于從月球和火星表面?zhèn)鞒龆嗌傩盘?hào)還存在一些未知數(shù)。” 如果地面上的材料反射性不強(qiáng)，則傳回傳感器的信號(hào)將變?nèi)酢５茿mzajerdian相信激光雷達(dá)的性能將優(yōu)于雷達(dá)技術(shù)，因?yàn)榧す忸l率比無(wú)線電波高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和更有效的傳感。

負(fù)責(zé)管理所有這些數(shù)據(jù)的主力機(jī)是下降和著陸計(jì)算機(jī)。來(lái)自傳感器系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)被饋送到機(jī)載算法，該算法計(jì)算出新的路徑以進(jìn)行精確著陸。

電腦強(qiáng)國(guó)

下降和著陸計(jì)算機(jī)同步各個(gè)SPLICE組件的功能和數(shù)據(jù)管理。它還必須與任何航天器上的其他系統(tǒng)無(wú)縫集成。因此，這個(gè)小型的計(jì)算中心可防止精確著陸技術(shù)使主要飛行計(jì)算機(jī)過(guò)載。

早期發(fā)現(xiàn)的計(jì)算需求清楚地表明，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)不足。NASA的高性能航天計(jì)算處理器可以滿(mǎn)足需求，但距離完成還需要幾年的時(shí)間。需要一個(gè)臨時(shí)解決方案來(lái)使SPLICE準(zhǔn)備好在Blue Shepard火箭上進(jìn)行Blue Origin的首次亞軌道火箭飛行測(cè)試。來(lái)自新計(jì)算機(jī)性能的數(shù)據(jù)將有助于最終替代它。

精確著陸的技術(shù)集成經(jīng)理John Carson解釋說(shuō)：“代理計(jì)算機(jī)具有非常相似的處理技術(shù)，這不僅可以告知未來(lái)的高速計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，還可以通知未來(lái)的下降和著陸計(jì)算機(jī)集成工作。”

展望未來(lái)，像這樣的測(cè)試任務(wù)將有助于為美國(guó)宇航局和商業(yè)提供商在月球表面和其他太陽(yáng)系物體上形成安全的著陸系統(tǒng)。

卡森說(shuō)：“安全，準(zhǔn)確地降落在另一個(gè)世界上仍然面臨許多挑戰(zhàn)。” “還沒(méi)有一種商業(yè)技術(shù)可以買(mǎi)下來(lái)。將來(lái)的每一次地面任務(wù)都可以使用這種精確的著陸能力，因此NASA現(xiàn)在就滿(mǎn)足了這一需求。我們正在與業(yè)界伙伴一起促進(jìn)轉(zhuǎn)移和使用。”