Los Satélites Experimentales de Posición, Activación y Reorientación Sincronizadas (SPHERES) son una serie de satélites miniaturizados desarrollados por el Laboratorio de Sistemas Espaciales del MIT para la NASA y el ejército de los EE. UU., para ser utilizados como un banco de pruebas extensible de bajo riesgo para el desarrollo de algoritmos de metrología , vuelo en formación, encuentro , acoplamiento y autonomía que son críticos para futuras misiones espaciales que utilizan una arquitectura de naves espaciales distribuidas, como Terrestrial Planet Finder y Orbital Express . [1]
Cada satélite SPHERES es un poliedro de 18 lados , con una masa de unos 4,1 kg y un diámetro de unos 21 cm. Pueden utilizarse en la Estación Espacial Internacional , así como en laboratorios terrestres, pero no en el vacío del espacio . Las unidades autónomas alimentadas por batería pueden funcionar de forma semiautónoma, utilizando propulsores de gas frío basados en CO2 para el movimiento y una serie de balizas ultrasónicas para la orientación. Los satélites pueden comunicarse entre sí y con una estación de control de forma inalámbrica. Las funciones integradas de los satélites pueden ampliarse mediante un puerto de expansión. [2]
Desde 2006, se utilizan tres unidades SPHERES en la Estación Espacial Internacional para diversos experimentos. El Programa de Científicos Invitados de SPHERES permite a los científicos realizar nuevos experimentos científicos utilizando unidades SPHERES, y el Programa de Robótica Cero permite a los estudiantes participar en competiciones anuales que implican el desarrollo de software para controlar unidades SPHERES. [3]
Se espera que el programa SPHERES continúe hasta 2017, y posiblemente más allá. [3] [ necesita actualización ]
El proyecto SPHERES dio lugar a un proyecto más nuevo llamado Astrobee . [4]
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El desarrollo inicial de SPHERES comenzó en 1999, por un equipo de estudiantes del Instituto Tecnológico de Massachusetts , como parte de un programa de ingeniería aeroespacial . El concepto del satélite fue concebido cuando el profesor David Miller desafió a los estudiantes a desarrollar un dispositivo similar al control remoto de entrenamiento de combate visto en la película de 1977 Star Wars Episodio IV: Una nueva esperanza y más recientemente en Star Wars: Episodio II - El ataque de los clones . Se desarrollaron varios prototipos durante el curso del programa, y se probaron en laboratorios terrestres, así como en vuelos parabólicos utilizando la aeronave de gravedad reducida de la NASA . [5]
Tras el desarrollo inicial, el programa SPHERES quedó a cargo del Laboratorio de Sistemas Espaciales del MIT. En colaboración con Aurora Flight Sciences , se perfeccionó el diseño y se construyeron seis satélites listos para volar, de los cuales tres se entregaron a la Estación Espacial Internacional. [5]
El proyecto SPHERES está financiado principalmente por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) . [2]
Cada satélite SPHERES se asemeja a un poliedro de 18 lados , similar a un cuboctaedro . La estructura de aluminio del satélite está encerrada en una carcasa de plástico semitransparente. La carcasa es de color rojo, azul, naranja o negro, para ayudar a una fácil identificación. Los tres satélites de la Estación Espacial Internacional son de color rojo, azul y naranja. Cada unidad tiene un diámetro máximo de 22,9 cm y tiene una masa de 4,16 kg incluyendo los consumibles. [5] [6]
El ordenador de a bordo es un procesador digital de señales (DSP) Texas Instruments C6701 que funciona a 167 MHz. El software de vuelo y las instrucciones relacionadas con los experimentos están escritos en lenguaje de programación C. [1]
Los satélites pueden comunicarse entre sí mediante un enlace de radio de 916,5 MHz y 16 kbit/s. La comunicación con la estación de control (una computadora portátil) se realiza mediante un enlace de radio de 868,35 MHz y 16 kbit/s. [6] Los satélites SPHERES pueden conectarse a la red Wi-Fi de a bordo de la Estación Espacial Internacional para tareas que requieren un mayor ancho de banda de datos. [2]
Los satélites SPHERES determinan su posición y actitud mediante 23 receptores ultrasónicos de a bordo (Murata MA40S4R) y 5 balizas de referencia ultrasónicas externas. Las mediciones ultrasónicas del tiempo de vuelo desde las balizas externas hasta los receptores de a bordo se utilizan para calcular la posición del satélite con respecto al marco de referencia externo. [1]
Para determinar rápidamente la posición, la información ultrasónica del tiempo de vuelo se complementa con los datos de los acelerómetros de a bordo (3 acelerómetros de un solo eje Honeywell QA-750) y giroscopios (3 giroscopios de velocidad de un solo eje Systron Donner QRS14). [1]
Los satélites SPHERES se alimentan mediante dos paquetes de baterías no recargables de 12 V. Cada paquete de baterías consta de ocho celdas AA de 1,5 V soldadas en serie. [2]
Los satélites pueden desplazarse en un entorno de microgravedad con 6 grados de libertad , utilizando doce propulsores de gas frío que utilizan CO2 líquido como propulsor. El CO2 líquido se almacena en un pequeño contenedor a bordo, similar a los que se utilizan en las pistolas de paintball . El CO2 se convierte en estado gaseoso antes de ser expulsado a través de los propulsores para su propulsión. El empuje deseado se consigue mediante la modulación de pulsos de los solenoides de empuje. [1]
La aceleración lineal máxima de los satélites es de 0,17 m/s2, con una precisión de 0,5 cm. La aceleración angular máxima es de 3,5 rad/s2, con una precisión de 2,5 grados. [7]
El programa SPHERES utiliza instalaciones de apoyo ubicadas en el Centro de Investigación Ames de la NASA .
El laboratorio de 3 DoF permite realizar pruebas simultáneas de hasta tres satélites SPHERES sobre una superficie de granito plana y casi sin fricción. Los satélites están montados sobre carros de aire (soportes que expulsan una corriente de CO2 para crear un colchón de aire) que permite que las unidades se trasladen en los ejes X e Y y giren en el eje Z. [8]
El MicroGravity Test Facility (MGTF) facilita la prueba de un único satélite móvil SPHERES, utilizando seis grados de libertad. En este caso, la unidad está sostenida por un cardán con 3 DoF, que está suspendido de una grúa de traslación con 3 DoF. El laboratorio puede proporcionar un marco de referencia de navegación en una configuración similar a la de la Estación Espacial Internacional utilizando cinco balizas ultrasónicas, y se analiza la salida de los propulsores de gas frío para simular el movimiento esperado en un entorno de microgravedad. [8] [9]
El Laboratorio de Ensamblaje de Vuelo se utiliza para preparar y probar los consumibles (paquetes de baterías y contenedores de CO2 líquido ) utilizados por las unidades SPHERES.
Las celdas individuales de los paquetes de baterías se prueban, se sueldan por puntos en serie y se vuelven a probar como paquete. Los paquetes de baterías se desechan después de su uso.
Los contenedores de CO2 gastados se devuelven al Laboratorio de Ensamblaje de Vuelo para rellenarlos y realizar pruebas de seguridad antes de regresar a la Estación Espacial Internacional. [8]
La entrega de los satélites SPHERES a la Estación Espacial Internacional estaba prevista originalmente para 2003. Sin embargo, debido a la pérdida del transbordador espacial Columbia en febrero de 2003, la entrega no tuvo lugar hasta 2006. [1]
La primera unidad SPHERES fue entregada a la ISS por la misión de reabastecimiento no tripulada Progress M-56 (ISS-21P) durante abril de 2006. La segunda unidad fue entregada por la misión STS-121 del transbordador espacial en julio de 2006. La unidad final fue entregada por la misión STS-116 del transbordador espacial en diciembre de 2006. [10]
El experimento SPHERES a bordo de la Estación Espacial Internacional comenzó el 18 de mayo de 2006. [5]
El experimento SmartSPHERES equipó a los tres satélites SPHERES a bordo de la Estación Espacial Internacional con teléfonos inteligentes Nexus S que fueron entregados a través de la misión STS-135 del transbordador espacial . Cada satélite fue mejorado mediante el uso de potencia de procesamiento, redes inalámbricas, cámara, sensores y la pantalla táctil del teléfono inteligente conectado. La disponibilidad del código fuente del sistema operativo Android permitió que los dispositivos se utilizaran como computadoras compactas, de bajo costo y bajo consumo. [11] [12]
El experimento estudia el uso de los satélites SPHERES para realizar estudios ambientales y de inventario autónomos y operados a distancia a bordo de la Estación Espacial, con el objetivo de reducir el tiempo que los astronautas dedican a tareas rutinarias. El conocimiento adquirido también ayudará al desarrollo de futuros vehículos espaciales que podrían realizar actividades extravehiculares y ayudar a los astronautas con sus tareas. [11]
El experimento SmartSPHERES está gestionado por el Grupo de Robótica Inteligente del Centro de Investigación Ames con financiación del programa de Desarrollo y Demostración de Tecnología Habilitante de la Dirección de Misiones de Sistemas de Exploración de la NASA. [11]
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El experimento SPHERES-VERTIGO (SPHERES-Visual Estimation and Relative Tracking for Inspection of Generic Objects) tiene como objetivo desarrollar software y hardware que puedan generar mapas tridimensionales de objetos cooperativos o no cooperativos utilizando visión artificial , y navegar en relación con dichos objetos únicamente con referencia a los mapas generados. [13]
Como parte del experimento, se desarrollan y prueban nuevos algoritmos de localización y mapeo simultáneos (SLAM). [13]
Para facilitar el experimento SPHERES-VERTIGO, cada satélite SPHERES a bordo de la ISS está equipado con un "goggle" adicional: un dispositivo que se conecta a SPHERES mediante el puerto de expansión y lleva una cámara estéreo, sensores ultrasónicos, una computadora de placa única, instalaciones de comunicación de alta velocidad y baterías. [13]
Las tecnologías desarrolladas se utilizarán en futuros vehículos espaciales autónomos que pueden operar solos o en grupos para mapear asteroides , inspeccionar satélites en movimiento o desorbitar desechos espaciales . [13]
El experimento es parte del programa de Experimentos de Investigación Integrada SPHERES (InSPIRE), financiado por DARPA . [13]
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El experimento DOD SPHERES-RINGS ( Sistema de generación de campo cercano inductivo resonante SPHERES del Departamento de Defensa ) tiene como objetivo desarrollar software y hardware capaces de realizar vuelos en formación electromagnética (EMFF) y transferencia de energía inalámbrica en entornos de microgravedad. [14]
El experimento utiliza dos conjuntos de hardware conectados a los satélites SPHERES, que consisten en bobinas resonantes de aluminio , carcasa de bobina con ventiladores, electrónica y baterías. [14]
Las unidades SPHERES individuales se maniobran entre sí generando fuerzas de atracción, repulsión y cizallamiento controladas mediante bobinas electromagnéticas. Las mismas bobinas se utilizan para transferir energía de forma inalámbrica entre satélites SPHERES a través de un acoplamiento inductivo resonante . Como parte del experimento, también se desarrollan algoritmos de software que evitan la colisión entre satélites. [14]
Los conocimientos adquiridos a través del experimento ayudarán al desarrollo de vehículos espaciales agrupados sin combustible ni columnas de humo, aumentarán su vida útil y reducirán la masa de la nave espacial y los riesgos operativos asociados. [14]
Artículo: ESFERAS-Chapoteo
Una expansión de los satélites SPHERES que forma un anillo (halo) alrededor del satélite para proporcionar seis sitios de conexión de puertos de expansión. Dos de ellos fueron enviados a la ISS.
Mecanismo de acoplamiento que permite que dos satélites SPHERES se acoplen de forma rígida. Se enviaron seis a la ISS.
Zero Robotics es una competición internacional anual organizada por el MIT, en la que los equipos de estudiantes participantes programan los satélites SPHERES para resolver un desafío específico. La competición se lleva a cabo en dos niveles: el torneo de escuelas secundarias y el torneo de escuelas preparatorias. [15]
Las rondas iniciales del concurso se realizan mediante simulaciones. Los programas de los finalistas se cargan en los satélites SPHERES a bordo de la Estación Espacial Internacional y son ejecutados por astronautas. El evento se transmite en vivo al MIT, Europa y Australia. [15]
