La tecnología de prevención de riesgos de aterrizaje autónomo ( ALHAT ) es una tecnología que la NASA está desarrollando para aterrizar naves espaciales de forma autónoma en la Luna, Marte o incluso un asteroide. [4] [5]
Según la página web de la NASA sobre el proyecto, se trata de un sistema de descenso y aterrizaje automatizado de última generación para las naves de aterrizaje planetario. Un conjunto de sensores de seguimiento de la superficie con capacidades de prevención de peligros en tiempo real evaluará la altitud y la velocidad del vehículo que desciende y la topografía del lugar de aterrizaje para permitir un aterrizaje de precisión. La nave que desciende utilizará los algoritmos ALHAT combinados con datos de sensores para navegar hasta el "punto de aterrizaje previo a la misión", donde identificará de forma autónoma las zonas de aterrizaje seguras y guiará a la nave hasta el punto de aterrizaje. La tecnología funcionará en cualquier condición de iluminación, desde el duro resplandor de un Sol sin protección hasta la nube nublada y gaseosa de un cuerpo distante del Sistema Solar. [6]
Una nave de aterrizaje equipada con ALHAT tendrá la capacidad de detectar y evitar obstáculos como cráteres, rocas y pendientes y aterrizar de forma segura y precisa sobre una superficie. El proyecto está dirigido por el Centro Espacial Johnson (JSC) y cuenta con el apoyo del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) y el Centro de Investigación Langley . [5] Algunos de los sensores también pueden utilizarse para ayudar a las naves espaciales a atracar. [7]
Las tecnologías de ALHAT incluyen un sistema de detección de peligros, un velocímetro Doppler lidar , un altímetro láser , software, algoritmos de sensores y procesadores informáticos de ruta al espacio. Estas tecnologías se integran con la instrumentación de navegación a bordo del módulo de aterrizaje. [4] El equipo tiene una masa de 400 lb (180 kg). [2]
La instrumentación se ha probado operando desde vehículos en movimiento: un camión, el helicóptero Huey de la NASA y el módulo de aterrizaje del Proyecto Morpheus . Al final de las pruebas, el proyecto pretende que el equipo ALHAT haya alcanzado el nivel de preparación tecnológica (TRL) 6. [1] [5]
El proyecto ALHAT ha sido reemplazado por el proyecto de Combinación Cooperativa de Tecnologías de Aterrizaje Autónomo (COBALT) de la NASA. La NASA afirma que el lidar Doppler de navegación (NDL) de COBALT es un 60 por ciento más pequeño, opera a casi el triple de velocidad y proporciona mediciones de mayor alcance. [8]
Los recursos que necesitarán las expediciones futuras estarán frecuentemente situados en terrenos potencialmente peligrosos, por lo que los exploradores robóticos y humanos necesitan aterrizar de forma segura cerca de estos recursos. Esto requiere una nueva generación de módulos de aterrizaje planetarios con la capacidad de reconocer automáticamente el lugar de aterrizaje deseado, evaluar los posibles peligros del aterrizaje y ajustarse a medida que descienden a la superficie. [9] La NASA Langley creó tres sensores lidar (radar de luz): el lidar de destello, el lidar Doppler y el altímetro láser de gran altitud para el proyecto ALHAT. [10]
El lidar flash utiliza tecnología de imágenes para detectar objetos más grandes que una pelota de baloncesto en la superficie de un planeta en todas las condiciones de iluminación. Si hay un obstáculo, el sistema desviará el vehículo a un lugar de aterrizaje más seguro. [10] El motor del sensor de la cámara tridimensional también forma parte de la cámara espacial DragonEye que utiliza la nave espacial Dragon para acoplarse a la Estación Espacial Internacional. [11]
El lidar de flash hace parpadear un láser y actúa como una cámara de flash que permite la generación de mapas e imágenes lidar. [10] El lidar Doppler mide la altitud y la velocidad del vehículo para aterrizar con precisión en la superficie, y el altímetro láser de gran altitud proporciona datos que permiten que el vehículo aterrice en el área elegida. [10] La tecnología láser lidar escanea un área en busca de peligros como cráteres o rocas antes de que el módulo de aterrizaje aterrice. El sistema a bordo utiliza los datos para construir un mapa de terreno y elevación de los posibles sitios de aterrizaje en tiempo real. ALHAT primero escanea desde una gran altitud que le da a la nave espacial suficiente para responder a los obstáculos o cráteres en el lugar de aterrizaje. Los sitios seguros se designan en función de factores que incluyen el ángulo de inclinación de la superficie, la distancia y el costo de combustible para llegar a un sitio y la posición de las plataformas del módulo de aterrizaje. [12]
El Centro Espacial Johnson de la NASA lidera el proyecto ALHAT, iniciado a principios de 2006, para el Programa de Desarrollo de Tecnología de Exploración de la NASA. También cuenta con el apoyo de Charles Stark Draper Labs y el Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins, en Baltimore. Langley diseñó dos sensores especiales de detección y medición de distancias por luz (lidar). Junto con esto, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA desarrolló algoritmos para analizar el terreno basándose en estas mediciones lidar. [13]
El programa de Sistemas de Exploración Avanzada desea demostrar plenamente y calificar en el espacio un ALHAT mejorado mediante el lanzamiento de un módulo de aterrizaje Morpheus con el sistema ALHAT a la Luna en el lanzamiento del Sistema de Lanzamiento Espacial en 2017. Si ambos resultados funcionan, Morpheus pretende utilizar el ALHAT para aterrizar de forma segura en uno de los polos lunares. [4]
Los pilotos humanos pueden beneficiarse de la tecnología ALHAT, que les proporciona una mejor conciencia de la situación cuando aterrizan sus vehículos. [14]
En julio de 2013, se integró un ALHAT refrigerado por aire en el módulo de aterrizaje BRAVO de Morpheus y en su software de guía. Se realizaron vuelos de prueba con éxito con el vehículo atado. El ALHAT y su equipo fueron trasladados al Centro Espacial Kennedy para realizar pruebas de vuelo libres. [15]
El 21 de noviembre de 2013, ALHAT abordó el prototipo del módulo de aterrizaje Morpheus en el KSC para realizar pruebas de vuelo libre. [16] En marzo de 2014, ALHAT y el módulo de aterrizaje Bravo se integraron nuevamente y se realizaron pruebas de vuelo. [17]
En noviembre de 2014 se instalaron sensores ALHAT adicionales en el módulo de aterrizaje Morpheus. La nueva óptica permite que el lidar Doppler de navegación mida con precisión la velocidad del vehículo en relación con el suelo. [18] El Morpheus/ALHAT realizó con éxito el vuelo libre 15 (FF15) el 15 de diciembre de 2015, un vuelo y aterrizaje ALHAT en circuito cerrado. [19]
Las conexiones entre el vehículo Morpheus y ALHAT fueron documentadas en ICD (Documentos de Control de Interfaz). [20]
Se han realizado diversas pruebas de campo en el equipo ALHAT. Las pruebas se han diseñado para demostrar que el equipo ALHAT ha alcanzado el nivel TRL 6. [1]
La capacidad del ALHAT para detectar objetos más grandes que una pelota de béisbol desde una distancia de 760 m (2500 pies) mientras se encontraba en movimiento se probó colocando el sistema en un camión. El ALHAT pudo tomar imágenes y navegar mientras el equipo conducía. [21] La versión más grande del ALHAT se probó utilizando vuelos en helicóptero en el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA, Edwards, California en 2010. [22] Se construyó un campo de terreno lunar en el Centro Espacial Kennedy (KSC) para las pruebas del ALHAT en el módulo de aterrizaje Morpheus. El campo tiene una serie de características de terreno diferentes para probar la capacidad del ALHAT para detectar peligros. Las pruebas iniciales utilizaron el ALHAT liviano en un helicóptero. [23]
En el KSC se realizó una prueba en helicóptero del sistema ALHAT integrado con la aviónica Morpheus sobre el campo de riesgo planetario ALHAT. Las pruebas en helicóptero del KSC incluyeron perfiles de vuelo que se aproximaban a las aproximaciones planetarias, con todo el sistema ALHAT interconectado con todos los subsistemas Morpheus apropiados y operado en tiempo real. Durante estos vuelos en helicóptero, el sistema ALHAT tomó imágenes del terreno lunar simulado. El uso de un helicóptero permitió realizar la mayoría de las pruebas, pero no todas. Se obtuvieron buenos datos de todos los sensores. Todos los problemas detectados se han identificado y solucionado para respaldar las pruebas futuras en el módulo de aterrizaje Morpheus. [24]
En julio de 2013 se reanudó la integración de ALHAT con el hardware de la versión 1.5 del módulo de aterrizaje del Proyecto Morpheus. Las pruebas incluyeron la colocación del módulo de aterrizaje sobre bloques para verificar que la unidad de medición inercial (IMU) de ALHAT funcionara cuando se inclinaba. Las pruebas de inclinación se realizaron a diferentes alturas y direcciones. [25]
El 23 de julio de 2013, el equipo Morpheus/ALHAT completó con éxito la prueba atada n.° 26 con el ALHAT integrado en el vehículo Bravo de Morpheus. Se cumplieron todos los objetivos de la prueba, incluido el seguimiento y la obtención de imágenes del ALHAT. Las imágenes se obtuvieron a varias alturas. [26] En la imagen se puede ver un ejemplo de las imágenes producidas por el LIDAR.
El 27 de julio de 2013, Bravo y ALHAT volaron nuevamente en TT27. El seguimiento y la toma de imágenes del ALHAT cumplieron con todos los objetivos de la prueba. [15]
Durante el resto de 2013 y principios de 2014, el ALHAT fue retirado de Bravo mientras se realizaban varias mejoras en el módulo de aterrizaje y se probaba su vuelo. En marzo de 2014, el ALHAT se volvió a instalar en el módulo de aterrizaje. El 27 de marzo de 2014, el conjunto realizó con éxito una prueba de vuelo estacionario atado a distintas alturas. [17] El cabezal láser del ALHAT se puede ver escaneando el área de la caja durante el TT34 en la parte superior derecha de este vídeo. [27] El 2 de abril de 2014 tuvo lugar el 10.º vuelo libre de Morpheus. El ALHAT estaba en modo de bucle abierto. Además del vuelo, este vídeo incluye tomas de una cámara testigo montada y cuidadosamente alineada con el cabezal de escaneo láser que muestra lo que vio el láser, pero en el espectro visible, lo que confirma que se escaneó el campo de peligro. [28]
El 24 de abril de 2014 se completó con éxito el vuelo libre 11 (FF11) en la instalación de aterrizaje del transbordador espacial KSC (SLF). En el FF11, al igual que en el FF10, ALHAT operó en modo de bucle abierto, generando imágenes del campo de peligro y calculando soluciones de navegación en tiempo real durante el vuelo. El equipo no estaba (todavía) navegando el vehículo, lo que significa que Bravo voló de manera autónoma en una trayectoria preprogramada como antes. Los ingenieros de ALHAT utilizarán estos datos de vuelo para continuar afinando y mejorando el rendimiento de su sistema. [29]
El 28 de abril de 2014 se realizó una prueba de oscilación para obtener datos precisos sobre el lidar Doppler de navegación de 3 haces de ALHAT para calibrar y confirmar sus mediciones de alcance y velocidad. [30] El vuelo libre 12 del 30 de abril de 2014 fue una repetición del vuelo anterior, excepto que el módulo de aterrizaje apuntaba al sitio de aterrizaje identificado por HDS. [31]
Vuelo libre 13 el 22 de mayo de 2014. Primer vuelo del ALHAT y el módulo de aterrizaje Morpheus con el ALHAT teniendo control de circuito cerrado del módulo de aterrizaje. Se identificó el lugar de aterrizaje correcto y se voló hacia él. Hubo un desacuerdo entre la guía, navegación y control del ALHAT y el Morpheus sobre la ubicación actual del módulo de aterrizaje. [32]
El vuelo libre 14 del 28 de mayo de 2014 se llevó a cabo de noche. El sistema de detección de peligros (HDS) de ALHAT funcionó bien, pero identificó un sitio seguro a solo 0,5 m fuera de los límites establecidos de manera conservadora alrededor del centro de la plataforma de aterrizaje. Luego, ALHAT hizo que el vehículo navegara en modo de circuito cerrado durante toda la aproximación, y el vehículo se hizo cargo de la navegación durante la fase de descenso de la trayectoria, cuando ALHAT ya estaba en estimación de vuelo. Si los límites de error de posición menos conservadores hubieran permitido a ALHAT continuar navegando hasta el aterrizaje, el vehículo habría aterrizado de manera segura en la plataforma. [33]
El 13 de noviembre de 2014 se realizó una prueba de oscilación de la nueva óptica para el lidar de navegación ALHAT. [34] El equipo Morpheus/ALHAT realizó el vuelo libre 15 (FF15) el 15 de diciembre de 2015. Fue el sexto vuelo libre con el conjunto de sensores ALHAT a bordo y el tercer intento de completar un vuelo histórico de circuito cerrado con ALHAT. El vehículo voló y aterrizó con éxito bajo el control del ALHAT. [19]
El ALHAT es un dispositivo alimentado eléctricamente, por lo que se aplican las técnicas estándar para el manejo y la reparación de dispositivos eléctricos.
El equipo contiene piezas móviles que no deben tocarse cuando están en movimiento o encendidas.
El Flash LIDAR y el altímetro emiten rayos láser de clase IV. [3]
Las reglas para el manejo de láseres en el Centro Espacial Johnson se pueden encontrar en el Capítulo 6-2 del Manual del JSC. [35]
El uso del sistema de terminación de empuje del Proyecto Morpheus (TTS) por parte de Range Safety apaga el motor principal del módulo de aterrizaje y detiene el láser tipo IV en el sistema de detección de peligros (HDS) de ALHAT. [36]
