СФЕРЫ - SPHERES

СФЕРЫ на борту МКС

В Синхронизированное удержание позиции и переориентация экспериментального спутника (SPHERES) это серия миниатюрные спутники разработан Массачусетский технологический институт Лаборатория космических систем для НАСА и вооруженные силы США, которые будут использоваться в качестве расширяемого испытательный стенд для развития метрология, строительный полет, рандеву, алгоритмы стыковки и автономности, которые имеют решающее значение для будущих космических миссий, использующих распределенную архитектуру космических аппаратов, например Искатель земных планет и Орбитальный экспресс.[1]

Каждый спутник SPHERES имеет 18-гранную многогранник, массой около 4,1 кг и диаметром около 21 см. Их можно использовать в Международная космическая станция а также в наземных лабораториях, но не в вакууме Космос. Автономные агрегаты с батарейным питанием могут работать полуавтономно, используя двигатели на основе холодного газа на основе CO2 для движения и серию ультразвуковых маяков для ориентации. Спутники могут связываться друг с другом и со станцией управления по беспроводной сети. Встроенные функции спутников можно расширить с помощью порта расширения.[2]

С 2006 года три блока SPHERES используются на Международной космической станции для различных экспериментов. Программа приглашенных ученых SPHERES позволяет ученым проводить новые научные эксперименты с использованием устройств SPHERES и Программа Zero Robotics позволяют студентам участвовать в ежегодных конкурсах, которые включают разработку программного обеспечения для управления блоками SPHERES.[3]

Ожидается, что программа SPHERES продлится до 2017 года, а возможно и дальше.[3]

Проект СФЕРА привел к новому проекту под названием Astrobee.[4]

Разработка

Студенты Массачусетского технологического института тестируют спутники SPHERES на борту самолета с пониженной гравитацией НАСА.
Студенты Массачусетского технологического института тестируют спутники SPHERES на борту самолета с пониженной гравитацией НАСА.

Первоначальная разработка SPHERES началась в 1999 году группой студентов Массачусетский Институт Технологий, как часть аэрокосмическая техника программа. Концепция спутника была задумана, когда профессор Дэвид Миллер предложил студентам разработать устройство, подобное дистанционная боевая подготовка видел в фильме 1977 года Звездные войны. Эпизод IV: Новая надежда и совсем недавно в Звёздные войны: Эпизод II - Атака клонов. В ходе программы было разработано несколько прототипов, которые прошли испытания в наземных лабораториях, а также в параболических полетах с использованием НАСА. самолет пониженной гравитации.[5]

После первоначальной разработки программа SPHERES была передана Лаборатории космических систем Массачусетского технологического института. В сотрудничестве с Aurora Flight Sciences Была доработана конструкция и построено шесть готовых к полету спутников, три из которых были доставлены на Международную космическую станцию.[5]

Проект СФЕРА в основном финансируется Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).[2]

Характеристики

Структура и физические характеристики

Спутник СФЕРЫ без пластиковой оболочки. Видны алюминиевая конструкция, панель управления, ультразвуковые датчики, подруливающие устройства, ручка регулятора давления и манометр.
Спутник СФЕРЫ без пластиковой оболочки. Видны алюминиевая конструкция, панель управления, ультразвуковые датчики, подруливающие устройства, ручка регулятора давления и манометр.

Каждый спутник SPHERES напоминает 18-гранный многогранник. Алюминиевая конструкция спутника заключена в полупрозрачный пластиковый корпус. Оболочка бывает красного, синего, оранжевого или черного цвета, чтобы облегчить идентификацию. Три спутника на Международной космической станции - красный, синий и оранжевый. Каждый блок имеет максимальный диаметр 22,9 см и массу 4,16 кг, включая расходные материалы.[5][6]

Обработка и связь

В качестве бортового компьютера используется процессор Texas Instruments C6701 DSP, работающий на частоте 167 МГц. Программное обеспечение для полета и инструкции по эксперименту написаны на Язык программирования C.[1]

Спутники могут связываться друг с другом по радиоканалу 916,5 МГц, 16 кбит / с. Связь со станцией управления (переносным компьютером) осуществляется по радиоканалу 868,35 МГц, 16 кбит / с.[6] Спутники SPHERES могут подключаться к бортовой сети Wi-Fi Международной космической станции для задач, требующих более высокой пропускной способности.[2]

Датчики и навигация

Спутники SPHERES определяют свое положение и ориентацию с помощью 23 бортовых ультразвуковых приемников (Murata MA40S4R) и 5 ​​внешних ультразвуковых опорных маяков. Ультразвуковые измерения времени пролета от внешних радиомаяков до бортовых приемников используются для расчета положения спутника относительно внешней системы отсчета.[1]

Для быстрого определения местоположения ультразвуковая информация о времени пролета дополняется данными с бортовой сети. акселерометры (3 одноосных акселерометра Honeywell QA-750) и гироскопы (3 одноосных гироскопа Systron Donner QRS14).[1]

Мощность и срабатывание

Спутники SPHERES питаются от двух неперезаряжаемых аккумуляторных батарей на 12 В. Каждый аккумуляторный блок состоит из восьми 1,5 В Батарея AA ячейки, сваренные последовательно точечной сваркой.[2]

Спутники могут перемещаться в условиях микрогравитации с 6 степеней свободы, с использованием двенадцати двигателей на холодном газе, использующих жидкость СО2 в качестве топлива. Жидкий CO2 хранится в небольшом бортовом контейнере, аналогичном тем, которые используются в пейнтбол пистолеты. CO2 преобразуется в газообразное состояние перед выбросом через двигатели для обеспечения движения. Желаемая тяга достигается за счет импульсной модуляции соленоидов тяги.[1]

Максимальное линейное ускорение спутников 0,17 м / с2 с точностью 0,5 см. Максимальное угловое ускорение составляет 3,5 рад / с2 с точностью 2,5 градуса.[7]

Оборудование для тестирования и поддержки

Программа SPHERES использует вспомогательные объекты, расположенные в НАСА. Исследовательский центр Эймса.

3 DoF Лаборатория

Спутник SPHERES установлен на авиалайнере в лаборатории 3 степеней свободы. Видны два контейнера с жидким CO2, используемые воздушным транспортом.
Спутник SPHERES установлен на авиалайнере в лаборатории 3 степеней свободы.

Лаборатория с 3 степенями свободы позволяет одновременно тестировать до трех спутников SPHERES на плоской гранитной поверхности, практически не подверженной трению. Спутники установлены на авиалайнерах - стойках, которые выбрасывают поток CO2 для создания воздушной подушки, что позволяет устройствам перемещаться по осям X и Y и вращаться по оси Z.[8]

Установка для испытаний на микрогравитацию (MGTF)

Испытательная установка MicroGravity (MGTF) облегчает тестирование одного мобильного спутника SPHERES с использованием шести степеней свободы. В этом случае устройство удерживается на подвесе с 3 степенями свободы, который подвешен на подъемном кране с 3 степенями свободы. Лаборатория может предоставить навигационную систему координат в такой же конфигурации, как и на Международной космической станции, с использованием пяти ультразвуковых маяков, а мощность двигателей холодного газа анализируется для моделирования ожидаемого движения в условиях микрогравитации.[8][9]

Лаборатория летной сборки

Лаборатория летной сборки используется для подготовки и тестирования расходных материалов - аккумуляторных батарей и контейнеров с жидким CO2 - используемых в установках SPHERES.

Отдельные элементы аккумуляторных блоков тестируются, последовательно свариваются точечной сваркой и снова тестируются в комплекте. Батарейные блоки выбрасываются после использования.

Отработанные контейнеры с CO2 возвращаются в лабораторию сборки полетов для повторного заполнения и проверки безопасности перед отправкой обратно на Международную космическую станцию.[8]

Доставка на Международную космическую станцию

Доставка спутников SPHERES на Международную космическую станцию ​​изначально планировалась на 2003 год. Однако из-за потеря космического корабля "Колумбия" в феврале 2003 года доставка не состоялась до 2006 года.[1]

Первый блок СФЕРА доставлен на МКС в результате беспилотной дозаправки. Прогресс М-56 (МКС-21П) в апреле 2006 г. Второй блок был доставлен миссией Space Shuttle. СТС-121 в июле 2006 года. Последний блок был доставлен миссией Space Shuttle. СТС-116 в декабре 2006 г.[10]

Эксперимент SPHERES на борту Международной космической станции начался 18 мая 2006 года.[5]

Эксперименты

СмартСФЕРЫ

Спутник SPHERES, оснащенный смартфоном.
Спутник SPHERES, оснащенный смартфоном.

Эксперимент SmartSPHERES оснастил три спутника SPHERES на борту Международной космической станции Nexus S смартфоны которые были доставлены с помощью миссии Space Shuttle СТС-135. Каждый спутник был усовершенствован за счет использования вычислительной мощности, беспроводной сети, камеры, датчиков и сенсорного дисплея подключенного смартфона. Наличие Android Исходный код операционной системы позволял использовать устройства в качестве компактных, недорогих, маломощных компьютеров.[11][12]

Эксперимент изучает использование спутников SPHERES для проведения автономных и дистанционно управляемых исследований окружающей среды и инвентаризации на борту космической станции с целью сокращения времени, затрачиваемого астронавтом на рутинные задачи. Полученные знания также помогут в разработке будущих космических аппаратов, которые могли бы выход в открытый космос, и помогать космонавтам в их задачах.[11]

Эксперимент SmartSPHERES управляется Группа интеллектуальной робототехники Исследовательского центра Эймса при финансовой поддержке программы разработки и демонстрации технологий управления полетами НАСА.[11]

СФЕРЫ-ВЕРТИГО

Спутник SPHERES с дополнительными очками VERTIGO.
Спутник SPHERES с дополнительными очками VERTIGO.

Эксперимент SPHERES-VERTIGO (SPHERES-Визуальная оценка и относительное отслеживание для проверки общих объектов) направлен на разработку программного и аппаратного обеспечения, которое может генерировать трехмерные карты кооперативных или некооперативных объектов с использованием компьютерное зрение, и перемещаться относительно таких объектов только по созданным картам.[13]

В рамках эксперимента новые Одновременная локализация и отображение (SLAM) алгоритмы разработаны и протестированы.[13]

Для облегчения эксперимента СФЕРЫ-ВЕРТИГО каждый спутник СФЕРЫ на борту МКС оснащен дополнительным «очком» - устройством, подключенным к СФЕРАМ через порт расширения, и несет стереокамеру, ультразвуковые датчики, одноплатный компьютер, высокий -скоростные средства связи и аккумуляторы.[13]

Разработанные технологии будут использоваться в будущих автономных космических аппаратах, которые могут работать в одиночку или в группах для картирования. астероиды, осмотрите падающие спутники или сходите с орбиты космический мусор.[13]

Эксперимент является частью программы комплексных исследовательских экспериментов SPHERES (InSPIRE), финансируемой DARPA.[13]

ДОД СФЕРЫ-КОЛЬЦА

Два спутника SPHERES с надстройками RINGS используются в эксперименте астронавта НАСА Майкла Хопкинса.
Два спутника SPHERES с надстройками RINGS используются в эксперименте астронавта НАСА Майкла Хопкинса.

ДОД СФЕРЫ-КОЛЬЦА (Министерство обороны SPHERES-Resonant Inductive Near-Field Generation System) эксперимент направлен на разработку программного и аппаратного обеспечения, способного Полет электромагнитных образований (EMFF) и беспроводная передача энергии в условиях микрогравитации.[14]

В эксперименте используются две аппаратные сборки, подключенные к спутникам SPHERES, состоящие из алюминия. резонансный катушки, корпус катушки с вентиляторами, электроника и аккумуляторы.[14]

Отдельные блоки SPHERES маневрируют относительно друг друга, создавая контролируемые силы притяжения, отталкивания и сдвига с помощью электромагнитных катушек. Те же катушки используются для беспроводной передачи энергии между спутниками SPHERES через резонансный индуктивная связь. Программные алгоритмы, позволяющие избежать столкновения между спутниками, также разрабатываются в рамках эксперимента.[14]

Знания, полученные в ходе эксперимента, помогут в разработке кластерных космических аппаратов без топлива и шлейфов, увеличат срок их службы, уменьшат массу космического корабля и связанные с этим операционные риски.[14]

СФЕРЫ-СЛОШ

Статья: СФЕРЫ-СЛОШ

Использование в образовании

Zero Robotics

Основная статья: Zero Robotics

Zero Robotics - это ежегодное международное соревнование, проводимое Массачусетским технологическим институтом, в котором участвующие студенческие команды программируют спутники SPHERES для решения конкретной задачи. Конкурс проводится в два уровня; турнир средней школы и турнир средней школы.[15]

Начальные раунды конкурса проводятся с помощью моделирования. Программы финалистов загружаются в спутники SPHERES на борту Международной космической станции и исполняются космонавтами. Мероприятие транслируется в прямом эфире в Массачусетском технологическом институте, Европе и Австралии.[15]

Программа Zero Robotics предоставляет уникальную, сложную среду обучения, которая вдохновляет студентов применять и оттачивать свои научные, технические, инженерные и математические навыки.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж "Программа приглашенных ученых SPHERES" (PDF). Получено 9 января 2016.
  2. ^ а б c d Канис, Симеон. "СФЕРЫ FAQ". НАСА. Получено 2016-01-09.
  3. ^ а б Канис, Симеон. «История СФЕР». НАСА. Получено 2016-01-09.
  4. ^ Акерман, Эван (09.02.2017). «Как робот НАСА Astrobee обеспечивает МКС полезную автономию». IEEE SPECTRUM. Получено 2018-03-13.
  5. ^ а б c d "О СФЕРАХ". ssl.mit.edu. Получено 2016-01-09.
  6. ^ а б "Информационный бюллетень по сферам" (PDF). Получено 1 января 2016.
  7. ^ Канис, Симеон. "СФЕРЫ Спутники". НАСА. Получено 2016-01-09.
  8. ^ а б c Канис, Симеон. «Объекты СФЕР в НАСА AMES». НАСА. Получено 2016-01-09.
  9. ^ «НАСА - испытательный центр микрогравитации». www.nasa.gov. Получено 2016-01-09.
  10. ^ "Пресс-кит СТС-116" (PDF). Получено 13 января 2016.
  11. ^ а б c Администратор НАСА. "Спутник НАСА с питанием от смартфона". НАСА. Получено 2016-01-10.
  12. ^ Рейни, Кристина. «Умные СФЕРЫ собираются стать намного умнее». НАСА. Получено 2016-01-10.
  13. ^ а б c d е «НАСА - синхронизированное положение, удержание, включение, переориентация, экспериментальные спутники - VERTIGO». www.nasa.gov. Получено 2016-01-11.
  14. ^ а б c d «НАСА - Министерство обороны синхронизировало положение, удержание, включение, переориентацию, экспериментальные спутники-кольца». www.nasa.gov. Получено 2016-01-11.
  15. ^ а б "Что такое Zero Robotics?". zerorobotics.mit.edu. Получено 2016-01-31.
  16. ^ "Видение и миссия". zerorobotics.mit.edu. Получено 2016-01-31.

внешняя ссылка