Wirtualne lekcje latania dla misji na asteroidę Hera
Podczas gdy statek kosmiczny ESA Hera przeznaczony do obrony planetarnej przechodzi testy przed lotem, system, który będzie sterował nim wokół docelowego układu asteroid binarnych, również przechodzi ostateczne kontrole w przestrzeni kosmicznej.
Weryfikacja gotowości systemu nawigacji i kontroli misji do operacji zbliżeniowych w tym wymagającym środowisku o bardzo niskiej grawitacji poprzez długą serię wirtualnych manewrów, przeprowadzanych równolegle w Hiszpanii i Niemczech.
W siedzibie firmy GMV, producenta systemu nawigacji i kontroli (GNC) w Madrycie, replika komputera pokładowego Hera jest obecnie poddawana operacjom zbliżeniowym wokół modelu asteroidy zobrazowanego za pomocą kamery, w celu uzyskania maksymalnego realizmu, z innymi czujnikami i siłownikami emulowanymi za pomocą niestandardowego sprzętu "check-out".
W międzyczasie w siedzibie producenta statków kosmicznych OHB w Bremie odbywają się testy przy użyciu pełnowymiarowej repliki sprzętowej statku kosmicznego, zwanej Hera Avionics Test Bench.
"System dla fazy rejsu międzyplanetarnego Hery - która oczywiście jest najbardziej krytyczna, aby być gotowym do startu - jest teraz w pełni testowany przy użyciu rzeczywistego modelu lotu statku kosmicznego", wyjaśnia inżynier ESA GNC Jesus Gil Fernandez.
"Faza ta zakończy się w momencie przybycia asteroidy, kiedy obrazy z kamery zostaną wykorzystane do odróżnienia asteroidy od gwiazd tła poprzez dostrzeżenie jej stopniowego ruchu na kolejnych obrazach. GNC dla kolejnej fazy operacji zbliżania jest tym, na czym się teraz koncentrujemy, obejmując statek kosmiczny początkowo zbliżający się nawet na 30 km od pary asteroid, a następnie znacznie bliżej, do 1 km."
Obce, ultra-niskie środowisko grawitacyjne
Po starcie w październiku tego roku, Hera zmierza do wyraźnie obcego środowiska. Po dwuletnim rejsie w przestrzeni kosmicznej, w tym przelocie obok Marsa, który zostanie wykorzystany do obserwacji naukowych Deimosa, statek kosmiczny spotka się z binarnym systemem asteroid Didymos: księżyc Dimorphos, mniej więcej wielkości Wielkiej Piramidy w Gizie, znajduje się na orbicie około 1,2 km od głównego ciała Didymos wielkości góry.
Połączone pola grawitacyjne tych dwóch asteroid są dziesiątki tysięcy razy słabsze niż ziemskie.
Dodając do egzotycznego charakteru tego celu, Dimorphos przeszedł już zmianę orbity wokół Didymos, po tym jak sonda kosmiczna NASA DART zderzyła się z nim we wrześniu 2022 roku. Uderzenie to prawdopodobnie zmieniło kształt asteroidy w dramatyczny sposób.
Fuzja danych w celu mapowania środowiska
Aby bezpiecznie operować wokół Didymos, Hera ma wysoki stopień autonomii na pokładzie. Jej system naprowadzania, nawigacji i kontroli (GNC) został zaprojektowany tak, aby łączyć dane z różnych źródeł w celu stworzenia spójnego obrazu otoczenia, w podobny sposób jak w przypadku samojezdnych samochodów.
"Jego głównym źródłem danych będzie główna kamera do kadrowania asteroid, której obrazy są wykorzystywane zarówno do celów naukowych, jak i nawigacyjnych" - dodaje Jesus. "Obrazy te zostaną połączone z innymi danymi wejściowymi w celu dokładnego oszacowania pozycji, w szczególności z wysokościomierzem laserowym PALT-H, który odbija impulsy laserowe od powierzchni asteroidy, a także z czujnikami inercyjnymi. Ten system GNC jest początkowo zaprojektowany do ręcznej obsługi z ziemi, ale po rozmieszczeniu CubeSatów Hera, autonomiczna nawigacja będzie potrzebna do realizacji głównych celów misji."
Podczas operacji zbliżeniowych Hera będzie utrzymywać Didymos w kadrze swojej kamery jako ogólny punkt odniesienia, wykrywając kontrast między krawędziami asteroidy a otaczającą ją głęboką przestrzenią. Wykryty kształt zostanie porównany z przewidywanym modelem sferycznym. Później, gdy statek kosmiczny zbliży się na odległość mniejszą niż około 10 km od Didymos i ponad 2 km nad Dimorphos, zastosowana zostanie technika przetwarzania obrazu zwana "środkiem jasności", koncentrująca się na średniej pozycji pikseli oświetlonych przez Słońce, ze względu na złożony i niepewny kształt mniejszej asteroidy.
Łuki hiperboliczne w celu utrzymania pozycji
Poziomy grawitacji obu asteroid są zbyt niskie, aby statek kosmiczny mógł wejść na orbitę w tradycyjnym sensie. Zamiast tego (zapożyczając technikę od ESA's Rosetta comet-chaser) Hera będzie latać po "hiperbolicznych łukach" - przypominających serię naprzemiennych przelotów, odwracanych przez regularne odpalanie silników co trzy do czterech dni. W przypadku każdej normalnej misji, taka ilość powtarzających się zmian prędkości szybko wyczerpałaby zbiorniki paliwa, ale poziom grawitacji wokół Didymos jest tak niski, że Hera będzie lecieć z typową prędkością względną około 12 cm na sekundę.
"Hiperboliczne łuki Hery zostały zaprojektowane tak, aby w przypadku niewielkiego błędu w odpaleniu pędnika statek kosmiczny i tak utrzymywał bezpieczną odległość od asteroidy" - dodaje Jesus. "Jednak niskie prędkości oznaczają, że manewry orbitalne, które zbliżają Herę do asteroid, muszą być wykonywane bardzo dokładnie, w przeciwnym razie nadal może istnieć ryzyko kolizji. W związku z tym GNC obejmuje autonomiczny system korekcji trajektorii oraz autonomiczny system szacowania ryzyka kolizji, który może wykonywać manewry unikania kolizji w razie potrzeby."
Śledzenie cech powierzchni
Samodzielna autonomia Hery będzie naprawdę przydatna, gdy statek kosmiczny zbliży się do asteroid na późniejszym etapie misji, wyjaśnia Jesus: "Gdy zbliżymy się na odległość mniejszą niż 2 km, Dimorphos wypełni pole widzenia kamery. Wtedy nadejdzie najbardziej ambitny tryb nawigacji ze wszystkich, oparty na autonomicznym śledzeniu cech powierzchni bez absolutnego odniesienia. Będzie to kwestia obrazowania tych samych cech - takich jak głazy i kratery - na kolejnych zdjęciach, aby uzyskać poczucie wysokości i trajektorii Hery w odniesieniu do powierzchni."
Identyfikacja i mapowanie cech zostaną również wykorzystane do określenia masy Dimorphosa, chociaż ta technika zostanie wykonana z ziemi, a nie na pokładzie statku kosmicznego.
Kontrolerzy misji zmierzą "chybotanie" księżyca względem jego rodzica, w stosunku do wspólnego środka ciężkości całego systemu Didymos. Zostanie to osiągnięte poprzez identyfikację niewielkich zmian w skali metra w obrocie stałych punktów orientacyjnych wokół tego środka ciężkości w czasie.
Testowanie przez GNC niektórych trybów w tej końcowej fazie eksperymentalnej będzie kontynuowane po uruchomieniu, aby przygotować statek kosmiczny przed jego przybyciem na Didymos w październiku 2026 r.
Ta strona już Ci się spodobała, możesz ją polubić tylko raz!
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
