KULE

KULE na pokładzie ISS

Synchronized Position Hold Engage and Reorient Experimental Satellite (SPHERES) to seria zminiaturyzowanych satelitów opracowanych przez Laboratorium Systemów Kosmicznych MIT dla NASA i wojska USA, które mają być wykorzystywane jako rozszerzalne stanowisko testowe niskiego ryzyka dla rozwoju metrologii , algorytmy lotu w szyku, spotkania , dokowania i autonomii, które są kluczowe dla przyszłych misji kosmicznych wykorzystujących rozproszoną architekturę statków kosmicznych, takich jak Terrestrial Planet Finder i Orbital Express .

Każdy satelita SPHERES to 18-boczny wielościan o masie około 4,1 kg i średnicy około 21 cm. Można ich używać zarówno na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej , jak iw laboratoriach naziemnych, ale nie w próżni kosmicznej . Zasilane bateryjnie, niezależne jednostki mogą działać półautonomicznie, wykorzystując do ruchu silniki napędzane zimnym gazem na bazie CO2 oraz serię ultradźwiękowych latarni do orientacji. Satelity mogą komunikować się ze sobą i ze stacją kontrolną bezprzewodowo. Wbudowane funkcje satelitów można rozszerzyć za pomocą portu rozszerzeń.

Od 2006 roku trzy jednostki SPHERES są używane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej do różnych eksperymentów. Program SPHERES Guest Scientist umożliwia naukowcom przeprowadzanie nowych eksperymentów naukowych z wykorzystaniem jednostek SPHERES, a program Zero Robotics umożliwia studentom udział w corocznych konkursach polegających na opracowaniu oprogramowania do sterowania jednostkami SPHERES.

Oczekuje się, że program SPHERES będzie kontynuowany do 2017 r., a być może jeszcze dłużej. ^{[ wymaga aktualizacji ]}

Projekt SPHERES doprowadził do nowszego projektu o nazwie Astrobee.

Rozwój

Studenci MIT testują satelity SPHERES na pokładzie samolotu NASA o obniżonej grawitacji.

Początkowy rozwój SPHERES rozpoczął się w 1999 roku przez zespół studentów z Massachusetts Institute of Technology w ramach programu inżynierii lotniczej . Koncepcja satelity zrodziła się, gdy profesor David Miller rzucił studentom wyzwanie opracowania urządzenia podobnego do pilota do treningu bojowego, który można było zobaczyć w filmie Gwiezdne wojny: część IV: Nowa nadzieja z 1977 r ., a ostatnio w Gwiezdne wojny: część II — Atak Klony . W trakcie programu opracowano kilka prototypów, które zostały przetestowane w laboratoriach naziemnych, a także podczas lotów parabolicznych przy użyciu samolotów NASA o obniżonej grawitacji .

Po wstępnym opracowaniu program SPHERES został przejęty przez Laboratorium Systemów Kosmicznych MIT. We współpracy z Aurora Flight Sciences projekt został dopracowany i zbudowano sześć gotowych do lotu satelitów, z których trzy dostarczono na Międzynarodową Stację Kosmiczną.

Projekt SPHERES jest finansowany głównie przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obronie (DARPA) .

Specyfikacje

Struktura i właściwości fizyczne

Satelita SPHERES bez plastikowej obudowy. Widoczna aluminiowa konstrukcja, panel sterowania, czujniki ultradźwiękowe, silniki odrzutowe, pokrętło regulatora ciśnienia i manometr.

Każdy satelita SPHERES przypomina 18-boczny wielościan . Aluminiowa konstrukcja satelity jest zamknięta w półprzezroczystej plastikowej obudowie. Skorupa ma kolor czerwony, niebieski, pomarańczowy lub czarny, aby ułatwić identyfikację. Trzy satelity Międzynarodowej Stacji Kosmicznej są czerwone, niebieskie i pomarańczowe. Każda jednostka ma maksymalną średnicę 22,9 cm i waży 4,16 kg łącznie z materiałami eksploatacyjnymi.

Przetwarzanie i komunikacja

Jako komputer pokładowy służy Texas Instruments C6701 DSP pracujący z częstotliwością 167 MHz. Oprogramowanie lotu i instrukcje związane z eksperymentami są napisane w języku programowania C.

Satelity mogą komunikować się ze sobą za pomocą łącza radiowego 916,5 MHz, 16 kbit/s. Komunikacja ze stacją dowodzenia (komputerem przenośnym) odbywa się za pomocą łącza radiowego 868,35 MHz, 16 kbit/s. Satelity SPHERES mogą łączyć się z pokładową siecią Wi-Fi Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w celu wykonywania zadań wymagających większej przepustowości danych.

Czujniki i nawigacja

Satelity SPHERES określają swoją pozycję i wysokość za pomocą 23 pokładowych odbiorników ultradźwiękowych (Murata MA40S4R) i 5 zewnętrznych ultradźwiękowych radiolatarni referencyjnych. Ultradźwiękowe pomiary czasu przelotu z zewnętrznych radiolatarni do odbiorników pokładowych są wykorzystywane do obliczenia pozycji satelity względem zewnętrznej ramki odniesienia.

W celu szybkiego określenia pozycji ultradźwiękowe informacje o czasie przelotu są uzupełniane danymi z pokładowych akcelerometrów (3 jednoosiowe akcelerometry Honeywell QA-750) i żyroskopów (3 jednoosiowe żyroskopy Systron Donner QRS14).

Zasilanie i uruchamianie

Satelity SPHERES są zasilane za pomocą dwóch jednorazowych akumulatorów 12 V. Każdy pakiet baterii składa się z ośmiu baterii AA 1,5 V , które są zespawane punktowo w szeregu.

Satelity są w stanie przemieszczać się w środowisku mikrograwitacji z 6 stopniami swobody , wykorzystując dwanaście silników napędzanych zimnym gazem, które wykorzystują ciekły CO2 jako paliwo. Ciekły CO2 jest przechowywany w małym pojemniku na pokładzie, podobnym do tych, które są używane w pistoletach do paintballa . CO2 jest przekształcany w stan gazowy przed wyrzuceniem przez silniki odrzutowe w celu napędzania. Pożądany ciąg uzyskuje się poprzez modulację impulsową elektromagnesów ciągu.

Maksymalne przyspieszenie liniowe satelitów wynosi 0,17 m/s2, z dokładnością do 0,5 cm. Maksymalne przyspieszenie kątowe wynosi 3,5 rad/s2, z dokładnością do 2,5 stopnia.

Urządzenia do testowania i wsparcia

Program SPHERES wykorzystuje obiekty pomocnicze znajdujące się w NASA Ames Research Center .

Laboratorium 3 DoF

Satelita SPHERES jest montowany na wózku powietrznym w laboratorium 3 DoF.

Laboratorium 3 DoF umożliwia jednoczesne testowanie do trzech satelitów SPHERES na płaskiej, prawie pozbawionej tarcia powierzchni granitowej. Satelity są zamontowane na wózkach powietrznych – stojakach, które wyrzucają strumień CO2, tworząc poduszkę powietrzną – umożliwiając jednostkom translację na osiach X i Y oraz obrót na osi Z.

Ośrodek testowania mikrograwitacji (MGTF)

MicroGravity Test Facility (MGTF) ułatwia testowanie pojedynczego mobilnego satelity SPHERES przy użyciu sześciu stopni swobody. W tym przypadku jednostka jest trzymana przez gimbal z 3 stopniami swobody, który jest zawieszony na dźwigu translacyjnym z 3 stopniami swobody. Laboratorium jest w stanie zapewnić nawigacyjną ramkę odniesienia w podobnej konfiguracji jak na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przy użyciu pięciu latarni ultradźwiękowych, a wyjście silników zimnego gazu jest analizowane w celu symulacji oczekiwanego ruchu w środowisku mikrograwitacji.

Laboratorium Montażu Lotów

Laboratorium Montażu Lotów służy do przygotowania i testowania materiałów eksploatacyjnych – akumulatorów i pojemników na ciekły CO2 – używanych przez jednostki SPHERES.

Poszczególne ogniwa pakietów akumulatorów są testowane, zgrzewane punktowo szeregowo i ponownie testowane jako pakiet. Po zużyciu akumulatory są wyrzucane.

Zużyte pojemniki z CO2 są zwracane do Flight Assembly Laboratory w celu ponownego napełnienia i przetestowania bezpieczeństwa przed powrotem na Międzynarodową Stację Kosmiczną.

Dostawa na Międzynarodową Stację Kosmiczną

Dostawy satelitów SPHERES na Międzynarodową Stację Kosmiczną pierwotnie planowano na rok 2003. Jednak ze względu na utratę promu kosmicznego Columbia w lutym 2003, dostawa nastąpiła dopiero w 2006 roku.

Pierwsza jednostka SPHERES została dostarczona na ISS przez bezzałogową misję zaopatrzeniową Progress M-56 (ISS-21P) w kwietniu 2006 r. Druga jednostka została dostarczona przez misję promu kosmicznego STS-121 w lipcu 2006 r. Ostatnia jednostka została dostarczona przez Misja promu kosmicznego STS-116 w grudniu 2006 roku.

Eksperyment SPHERES na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej rozpoczął się 18 maja 2006 roku.

Eksperymenty

SmartSPHERES

Satelita SPHERES wyposażony w smartfon.

Eksperyment SmartSPHERES wyposażył trzy satelity SPHERES znajdujące się na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w smartfony Nexus S , które zostały dostarczone przez misję promu kosmicznego STS-135 . Każdy satelita został udoskonalony dzięki wykorzystaniu mocy obliczeniowej, sieci bezprzewodowej, kamery, czujników i dotykowego wyświetlacza podłączonego smartfona. Dostępność Android umożliwiła wykorzystanie urządzeń jako kompaktowych, tanich i energooszczędnych komputerów.

Eksperyment bada wykorzystanie satelitów SPHERES do przeprowadzania autonomicznych i zdalnie sterowanych badań środowiskowych i inwentaryzacyjnych na pokładzie Stacji Kosmicznej w celu skrócenia czasu spędzanego przez astronautów na rutynowych zadaniach. Zdobyta wiedza pomoże również w opracowaniu przyszłych pojazdów kosmicznych, które mogłyby wykonywać czynności kosmiczne i pomagać astronautom w ich zadaniach.

Eksperyment SmartSPHERES jest zarządzany przez Grupę Inteligentnej Robotyki Centrum Badawczego Ames przy wsparciu finansowym z programu Enabling Technology Development and Demonstration należącego do NASA Exploration Systems Mission Directorate.

KULE-ZAWROTY

Satelita SPHERES wyposażony w dodatkowe gogle VERTIGO.

Eksperyment SPHERES-VERTIGO (SPHERES-Visual Estimation and Relative Tracking for Inspection of Generic Objects) ma na celu opracowanie oprogramowania i sprzętu, które mogą generować trójwymiarowe mapy współpracujących lub nie współpracujących obiektów przy użyciu wizji komputerowej i nawigować wyłącznie względem takich obiektów poprzez odniesienie do wygenerowanych map.

W ramach eksperymentu opracowywane i testowane są nowe algorytmy jednoczesnej lokalizacji i mapowania (SLAM).

Aby ułatwić eksperyment SPHERES-VERTIGO, każdy satelita SPHERES na pokładzie ISS jest wyposażony w dodatkowe „gogle” – urządzenie podłączone do SPHERES za pomocą portu rozszerzeń, zawierające kamerę stereoskopową, czujniki ultradźwiękowe, komputer jednopłytkowy, wysokiej - szybkie urządzenia komunikacyjne i baterie.

Opracowane technologie zostaną wykorzystane w przyszłych autonomicznych pojazdach kosmicznych, które będą mogły działać samodzielnie lub w grupach w celu mapowania asteroid , inspekcji spadających satelitów lub usuwania śmieci kosmicznych z orbity .

Eksperyment jest częścią programu SPHERES Integrated Research Experiments (InSPIRE), finansowanego przez DARPA .

DOD KULE-PIERŚCIENIE

Dwa satelity SPHERES z dodatkami RINGS są używane w eksperymencie przez astronautę NASA Michaela Hopkinsa.

DOD SPHERES-RINGS ( Department of Defense SPHERES-Resonant Inductive Near-field Generation System) ma na celu opracowanie oprogramowania i sprzętu zdolnego do lotu w formacji elektromagnetycznej (EMFF) i bezprzewodowego przesyłania mocy w środowisku mikrograwitacji.

Eksperyment wykorzystuje dwa zespoły sprzętowe podłączone do satelitów SPHERES, składające się z aluminiowych cewek rezonansowych , obudowy cewki z wentylatorami, elektroniki i akumulatorów.

Poszczególne jednostki SPHERES są manewrowane względem siebie poprzez generowanie kontrolowanych sił przyciągania, odpychania i ścinania za pomocą cewek elektromagnetycznych. Te same cewki służą do bezprzewodowego przesyłania mocy między satelitami SPHERES poprzez rezonansowe sprzężenie indukcyjne . W ramach eksperymentu opracowywane są również algorytmy oprogramowania, które unikają kolizji między satelitami.

Wiedza zdobyta podczas eksperymentu pomoże w opracowaniu skupiskowych pojazdów kosmicznych pozbawionych paliwa i pióropuszy, wydłuży ich żywotność, zmniejszy masę statku kosmicznego i związane z tym ryzyko operacyjne.

SPHERES-Slosh

Artykuł: SPHERES-Slosh

Zastosowanie w edukacji

Zerowa robotyka

Zero Robotics to coroczne międzynarodowe zawody organizowane przez MIT, w których uczestniczące zespoły studenckie programują satelity SPHERES w celu rozwiązania konkretnego wyzwania. Konkurs odbywa się na dwóch poziomach; turniej gimnazjalny i turniej gimnazjalny.

Początkowe rundy konkursu prowadzone są za pomocą symulacji. Programy finalistów są ładowane do satelitów SPHERES na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i wykonywane przez astronautów. Wydarzenie jest transmitowane na żywo do MIT, Europy i Australii.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Witryna SPHERES pod adresem NASA.gov
Witryna SPHERES zarchiwizowana 15.08.2006 w Wayback Machine na MIT.edu
Sesje testowe SPHERES zarchiwizowane 2014-02-03 w Wayback Machine
Strona SPHERES zarchiwizowana 2014-01-26 w Wayback Machine na MIT.edu
Laboratorium systemów kosmicznych MIT
Nauki o locie Aurory
„Poduszkowce ze stacją kosmiczną walczące mieczem świetlnym do ulepszenia” w The Register