L'ellisse di atterraggio dell'Apollo 11, mostrato qui, era di 11 miglia per 3 miglia. La tecnologia di atterraggio di precisione ridurrà drasticamente l'area di atterraggio, consentendo a più missioni di atterrare nella stessa regione. Credito:NASA
Alcuni dei luoghi più interessanti da studiare nel nostro sistema solare si trovano negli ambienti più inospitali, ma atterrare su qualsiasi corpo planetario è già una proposta rischiosa. Con la NASA che pianifica missioni robotiche e con equipaggio in nuove località sulla Luna e su Marte, evitare di atterrare sul ripido pendio di un cratere o in un campo di massi è fondamentale per garantire un atterraggio sicuro per l'esplorazione della superficie di altri mondi. Al fine di migliorare la sicurezza in atterraggio, La NASA sta sviluppando e testando una suite di precise tecnologie di atterraggio e prevenzione dei pericoli.
Una combinazione di sensori laser, una fotocamera, un computer ad alta velocità, e algoritmi sofisticati daranno ai veicoli spaziali gli occhi artificiali e la capacità analitica per trovare un'area di atterraggio designata, identificare potenziali pericoli, e regolare la rotta sul sito di atterraggio più sicuro. Le tecnologie sviluppate nell'ambito del progetto SPLICE (Safe and Precise Landing—Integrated Capabilities Evolution) nell'ambito del programma Game Changing Development della Space Technology Mission Directorate consentiranno infine ai veicoli spaziali di evitare massi, crateri, e altro ancora all'interno di aree di atterraggio grandi la metà di un campo da calcio già considerato relativamente sicuro.
Tre dei quattro sottosistemi principali di SPLICE avranno il loro primo volo di prova integrato su un razzo Blue Origin New Shepard durante una missione imminente. Mentre il booster del razzo torna a terra, dopo aver raggiunto il confine tra l'atmosfera terrestre e lo spazio, Navigazione relativa al terreno di SPLICE, lidar doppler di navigazione, e il computer di discesa e atterraggio funzionerà a bordo del booster. Ciascuno agirà nello stesso modo in cui si avvicinerà alla superficie della Luna.
Il quarto componente principale di SPLICE, un lidar di rilevamento dei pericoli, sarà testato in futuro tramite test a terra e in volo.
La navigazione relativa al terreno fornisce una misurazione della navigazione confrontando le immagini in tempo reale con le mappe note delle caratteristiche della superficie durante la discesa. Credito:NASA
Seguendo le briciole di pane
Quando un sito viene scelto per l'esplorazione, parte della considerazione è garantire spazio sufficiente per l'atterraggio di un veicolo spaziale. La dimensione dell'area, chiamato l'ellisse del pianerottolo, rivela la natura inesatta della tecnologia di atterraggio legacy. L'area di atterraggio mirata per l'Apollo 11 nel 1968 era di circa 11 miglia per 3 miglia, e gli astronauti hanno pilotato il lander. Le successive missioni robotiche su Marte sono state progettate per atterraggi autonomi. Viking arrivò sul Pianeta Rosso 10 anni dopo con un'ellisse target di 174 miglia per 62 miglia.
La tecnologia è migliorata, e le successive zone di atterraggio autonome diminuirono di dimensioni. Nel 2012, l'ellisse di atterraggio del rover Curiosity era scesa a 12 miglia per 4 miglia.
Essere in grado di individuare un sito di atterraggio aiuterà le future missioni a individuare aree per nuove esplorazioni scientifiche in luoghi precedentemente ritenuti troppo pericolosi per un atterraggio non pilotato. Consentirà inoltre missioni di rifornimento avanzate per inviare merci e rifornimenti in un'unica posizione, piuttosto che sparpagliato per chilometri.
Ogni corpo planetario ha le sue condizioni uniche. Ecco perché "SPLICE è progettato per integrarsi con qualsiasi veicolo spaziale che atterra su un pianeta o una luna, " ha affermato il project manager Ron Sostaric. Con sede presso il Johnson Space Center della NASA a Houston, Sostaric ha spiegato che il progetto abbraccia più centri dell'agenzia.
"Quello che stiamo costruendo è un sistema completo di discesa e atterraggio che funzionerà per le future missioni di Artemis sulla Luna e può essere adattato per Marte, " ha detto. "Il nostro compito è mettere insieme i singoli componenti e assicurarci che funzioni come un sistema funzionante".
Lo strumento lidar Doppler di navigazione della NASA è composto da un telaio, contenenti componenti elettro-ottici ed elettronici, e una testa ottica con tre telescopi. Credito:NASA
Le condizioni atmosferiche possono variare, ma il processo di discesa e atterraggio è lo stesso. Il computer SPLICE è programmato per attivare la navigazione relativa al terreno a diverse miglia dal suolo. La fotocamera di bordo fotografa la superficie, scattare fino a 10 foto al secondo. Questi vengono continuamente inseriti nel computer, che è precaricato con immagini satellitari del campo di atterraggio e un database di punti di riferimento noti.
Gli algoritmi cercano nelle immagini in tempo reale le caratteristiche note per determinare la posizione del veicolo spaziale e far navigare il veicolo in sicurezza fino al punto di atterraggio previsto. È simile alla navigazione tramite punti di riferimento, come edifici, piuttosto che i nomi delle strade.
Nello stesso modo, la navigazione relativa del terreno identifica dove si trova il veicolo spaziale e invia tali informazioni al computer di guida e controllo, che è responsabile dell'esecuzione della traiettoria di volo verso la superficie. Il computer saprà approssimativamente quando l'astronave dovrebbe avvicinarsi al suo obiettivo, quasi come stendere il pangrattato e poi seguirli fino alla destinazione finale.
Questo processo continua fino a circa quattro miglia sopra la superficie.
L'ingegnere di Langley John Savage ispeziona una sezione dell'unità lidar Doppler di navigazione dopo la sua fabbricazione da un blocco di metallo. Credito:NASA/David C. Bowman
Navigazione laser
Conoscere l'esatta posizione di un veicolo spaziale è essenziale per i calcoli necessari per pianificare ed eseguire una discesa motorizzata per un atterraggio preciso. A metà della discesa, il computer accende il lidar Doppler di navigazione per misurare la velocità e le misurazioni della distanza che si aggiungono ulteriormente alle informazioni di navigazione precise provenienti dalla navigazione relativa al terreno. Lidar (rilevamento e distanza della luce) funziona più o meno allo stesso modo di un radar, ma utilizza onde luminose anziché onde radio. Tre raggi laser, ciascuno stretto come una matita, sono puntati verso il suolo. La luce di questi raggi rimbalza sulla superficie, riflettendo verso l'astronave.
Il tempo di viaggio e la lunghezza d'onda di quella luce riflessa vengono utilizzati per calcolare la distanza del velivolo dal suolo, in che direzione sta andando, e quanto velocemente si sta muovendo. Questi calcoli vengono eseguiti 20 volte al secondo per tutti e tre i raggi laser e inseriti nel computer di guida.
Il lidar Doppler funziona con successo sulla Terra. Però, Farzin Amzajerdian, il co-inventore della tecnologia e ricercatore principale del Langley Research Center della NASA a Hampton, Virginia, è responsabile di affrontare le sfide per l'uso nello spazio.
"Ci sono ancora alcune incognite su quanto segnale arriverà dalla superficie della Luna e di Marte, " disse. Se il materiale a terra non è molto riflettente, il segnale di ritorno ai sensori sarà più debole. Ma Amzajerdian è fiducioso che il lidar supererà le prestazioni della tecnologia radar perché la frequenza del laser è di ordini di grandezza maggiore delle onde radio, che consente una precisione molto maggiore e un rilevamento più efficiente.
Il cavallo di battaglia responsabile della gestione di tutti questi dati è il computer di discesa e atterraggio. I dati di navigazione dai sistemi di sensori vengono inviati agli algoritmi di bordo, che calcolano nuovi percorsi per un preciso atterraggio.
Hardware SPLICE in fase di preparazione per un test in camera a vuoto. Tre dei quattro sottosistemi principali di SPLICE avranno il loro primo volo di prova integrato su un razzo Blue Origin New Shepard. Credito:NASA
Computer potente
Il computer di discesa e atterraggio sincronizza le funzioni e la gestione dei dati dei singoli componenti SPLICE. Deve anche integrarsi perfettamente con gli altri sistemi su qualsiasi veicolo spaziale. Così, questa piccola potenza di calcolo impedisce alle tecnologie di atterraggio di precisione di sovraccaricare il computer di volo principale.
Le esigenze computazionali individuate all'inizio hanno chiarito che i computer esistenti erano inadeguati. Il processore di calcolo del volo spaziale ad alte prestazioni della NASA soddisferebbe la domanda, ma mancano ancora diversi anni al completamento. Era necessaria una soluzione provvisoria per preparare SPLICE per il suo primo test di volo su razzo suborbitale con Blue Origin sul suo razzo New Shepard. I dati delle prestazioni del nuovo computer aiuteranno a modellare la sua eventuale sostituzione.
John Carson, il responsabile dell'integrazione tecnica per l'atterraggio di precisione, ha spiegato che "il computer surrogato ha una tecnologia di elaborazione molto simile, che sta informando sia la futura progettazione di computer ad alta velocità, così come i futuri sforzi di integrazione del computer di discesa e atterraggio."
Guardare avanti, missioni di prova come queste aiuteranno a modellare sistemi di atterraggio sicuri per le missioni della NASA e dei fornitori commerciali sulla superficie della Luna e di altri corpi del sistema solare.
"Atterrare in modo sicuro e preciso su un altro mondo ha ancora molte sfide, " ha detto Carson. "Non c'è ancora nessuna tecnologia commerciale che puoi comprare per questo. Ogni futura missione di superficie potrebbe utilizzare questa capacità di atterraggio di precisione, quindi la riunione della NASA che ha bisogno ora. E stiamo promuovendo il trasferimento e l'utilizzo con i nostri partner del settore".
