La navicella spaziale Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) della NASA ha superato di gran lunga la durata della missione pianificata, rivelando che la Luna riserva sorprese:depositi di ghiaccio che potrebbero essere utilizzati per supportare future esplorazioni lunari, i luoghi più freddi del sistema solare in regioni permanentemente in ombra ai poli lunari, e che è un mondo attivo che si sta restringendo, generando terremoti lunari e cambiando davanti ai nostri occhi. LRO ha mappato la superficie con dettagli squisiti, restituendo milioni di immagini di un paesaggio lunare di straordinaria bellezza e aprendo la strada a future missioni umane nell'ambito del programma Artemis della NASA.

Nella primavera del 2018, Unità di misura inerziale in miniatura (MIMU) di LRO, un sensore critico utilizzato per aiutare a puntare gli strumenti del veicolo spaziale, è stato spento per preservare la sua vita residua dopo aver mostrato segni di declino a causa dell'invecchiamento naturale nel duro ambiente dello spazio. Il MIMU è come un tachimetro. Misura la velocità di rotazione di LRO. Senza esso, LRO è stato costretto a fare affidamento solo sui dati degli star tracker, videocamere con software di elaborazione delle immagini che deduce l'orientamento in base alle mappe stellari, per puntare e riorientare il veicolo spaziale. "Questo ha limitato la capacità di riorientare (rotare) il veicolo spaziale per scopi scientifici, " ha detto Julie Halverson, Ingegnere di sistema capo nelle operazioni di missione scientifica spaziale presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland.

"Riorientare il veicolo spaziale per ottenere dati sulla vista laterale è prezioso per gli scienziati in quanto ci consente di misurare in che modo la luce si riflette sulla Luna in modo diverso, a seconda della vista dello strumento, " disse Noè Petro, Scienziato del progetto per LRO alla NASA Goddard. "Questa è chiamata fotometria della superficie. Inoltre, la fotocamera acquisisce immagini in vista laterale per costruire immagini 3D della superficie e per raccogliere le viste prospettiche della Luna che aiutano a districare le relazioni geologiche." Per far girare di nuovo LRO, Gli ingegneri della NASA hanno sviluppato un nuovo algoritmo in grado di stimare la velocità di rotazione di LRO fondendo le misurazioni dello star-tracker insieme ad altre informazioni disponibili dal computer di volo di LRO.

Affinché il nuovo tachimetro di LRO funzioni correttamente, gli inseguitori stellari devono mantenere una visuale libera delle stelle, che può essere bloccato dalla Terra o dalla Luna, o il bagliore del sole. Altrimenti, è impossibile determinare l'orientamento o stimare la velocità di rotazione del veicolo spaziale. Assicurare che gli inseguitori stellari siano sempre liberi da ostacoli durante le manovre scientifiche ha reso molte osservazioni scientifiche che potrebbero essere facilmente eseguite con il MIMU impossibili da eseguire senza di esso. Per recuperare queste opportunità altrimenti perdute, Goddard, L'Engineering Safety Center (NESC) della NASA e la Naval Postgraduate School (NPS) di Monterey, California, hanno unito ancora una volta la loro lunga storia di ricerca cooperativa per sviluppare rapidamente una collezione di nuovi, metodi rivoluzionari per consentire a LRO di continuare a esplorare la Luna al massimo delle sue capacità.

"L'algoritmo che abbiamo sviluppato per LRO si chiama Fast Manoeuvering o 'FastMan' e funziona in combinazione con il controller basato su star-tracker di LRO, " ha detto Mark Karpenko, un professore associato di ricerca presso NPS e il capo progetto FastMan. "Le manovre girano naturalmente intorno a oggetti luminosi proprio come evitare gli ostacoli in un'auto a guida autonoma". Un algoritmo informatico è un insieme di istruzioni per elaborare i dati. Karpenko è stato in grado di costruire FastMan utilizzando strumenti software basati sugli stessi strumenti precedentemente utilizzati da un team NASA-NPS per riorientare la Stazione Spaziale Internazionale combinando le forze dell'ambiente spaziale insieme ai suoi giroscopi piuttosto che bruciare carburante accendendo i suoi propulsori . Questa "manovra a propellente zero" è simile a una manovra di virata utilizzata nella vela.

"Il Lunar Reconnaissance Orbiter è sottoposto a frequenti colpi speciali mentre orbita attorno alla Luna e la nostra capacità di programmare questi colpi è limitata dal tempo necessario per eseguirli, "ha detto John Keller, Vice scienziato del progetto per LRO alla NASA Goddard. Con FastMan, LRO è stato in grado di eseguire quasi 200 ritorni aggiuntivi che non avrebbero potuto essere eseguiti altrimenti.

"In realtà, la maggior parte dei miglioramenti delle prestazioni che abbiamo ottenuto finora sono stati l'utilizzo dei risultati di FastMan per creare quella che chiamiamo una manovra di "taxi", " ha affermato Karpenko. Poiché l'intero FastMan ha richiesto modifiche al software di volo di LRO, Karpenko ha progettato la manovra del taxi per raggiungere la maggior parte degli obiettivi di FastMan senza richiedere modifiche al software di volo. "Sfortunatamente, finché non potremo aggiornare il software di volo, dovevo essere nel giro, " ha detto Karpenko. La manovra completa di FastMan è completamente autonoma.

Il primo slew FastMan è stato condotto in orbita alla fine di luglio 2020 e ha permesso alla telecamera LRO, uno dei sette strumenti scientifici di LRO, ottenere un'immagine laterale del cratere di Triesnecker il 25 percento più veloce di quanto avrebbe permesso una sfilza di taxi. Con questi nuovi algoritmi, LRO è di nuovo in grado di guardare rapidamente di lato, e la navicella è in buona salute, con tutti gli strumenti che ancora raccolgono dati. "LRO è ora nell'anno 11 di quella che originariamente doveva essere una missione di due anni, " ha detto Petro. "Monitoriamo regolarmente tutti i sistemi LRO per segni di degrado o cambiamento. Il carburante può essere il nostro fattore limitante, le stime attuali ci dicono di avere almeno cinque anni in più di carburante a bordo, se non di più".

Nel 2010, NPS, NESC e Goddard hanno collaborato per implementare le prime manovre di riorientamento a tempo minimo mai eseguite in orbita. Questo lavoro innovativo è stato svolto come dimostrazione di volo di fine vita sul veicolo spaziale TRACE. Oggi, la comunità scientifica lunare è la beneficiaria di questo lavoro pionieristico. "Gli algoritmi di rotazione sviluppati da NPS hanno già permesso a LRO di raccogliere più scienza, " ha spiegato Neil Dennehy, Fellow tecnico della NASA per la guida, Navigazione e controllo. "Mi aspetto che in futuro anche i nostri partner industriali saranno in grado di sfruttare questa tecnologia".