СФЕРЫ

Экспериментальный спутник с синхронизированным удержанием позиции и переориентацией (SPHERES) представляет собой серию миниатюрных спутников, разработанных технологического института Лабораторией космических систем Массачусетского для НАСА и вооруженных сил США, которые будут использоваться в качестве расширяемого испытательного стенда с низким уровнем риска для развития метрологии . Алгоритмы группового полета, сближения , стыковки и автономности, которые имеют решающее значение для будущих космических миссий, использующих распределенную архитектуру космических аппаратов, таких как Terrestrial Planet Finder и Orbital Express . ^[1]

Каждый спутник СФЕРЫ представляет собой 18-гранный многогранник , массой около 4,1 кг и диаметром около 21 см. Их можно использовать как на Международной космической станции, так и в наземных лабораториях, но не в космическом вакууме . Автономные агрегаты с батарейным питанием могут работать полуавтономно, используя двигатели на холодном газе на основе CO ₂ для движения и серию ультразвуковых маяков для ориентации. Спутники могут связываться друг с другом и со станцией управления по беспроводной сети. Встроенные функции сателлитов можно расширить с помощью порта расширения. ^[2]

С 2006 года три установки «СФЕРЫ» используются на Международной космической станции для проведения различных экспериментов. Программа приглашенных ученых «СФЕРЫ» позволяет ученым проводить новые научные эксперименты с использованием устройств «СФЕРЫ», а программа «Нулевая робототехника» позволяет студентам участвовать в ежегодных конкурсах, включающих разработку программного обеспечения для управления устройствами «СФЕРЫ». ^[3]

Ожидается, что программа СФЕРЫ продолжится до 2017 года, а возможно, и дальше. ^[3]^{[ нужно обновить ]}

Проект СФЕРЫ привел к появлению нового проекта под названием Astrobee . ^[4]

Разработка

Первоначальная разработка СФЕРЫ началась в 1999 году группой студентов Массачусетского технологического института в рамках программы аэрокосмической инженерии . Концепция спутника была задумана, когда профессор Дэвид Миллер предложил студентам разработать устройство, похожее на пульт боевой подготовки, который можно увидеть в фильме 1977 года « Звездные войны. Эпизод IV: Новая надежда» и совсем недавно в «Звездных войнах: Эпизод II – Атака космоса». Клоны . В ходе программы было разработано несколько прототипов, которые прошли испытания в наземных лабораториях, а также в параболических полетах с использованием самолетов НАСА с пониженной гравитацией . ^[5]

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

Проект СФЕРЫ в основном финансируется Агентством передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) . ^[2]

Технические характеристики

Структура и физические характеристики

Каждый спутник СФЕРЫ напоминает 18-гранный многогранник , похожий на кубооктаэдр . Алюминиевая конструкция спутника заключена в полупрозрачный пластиковый корпус. Раковина имеет красный, синий, оранжевый или черный цвет, чтобы облегчить идентификацию. Три спутника 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

Бортовым компьютером служит процессор Texas Instruments C6701 DSP, работающий на частоте 167 МГц. Программное обеспечение для полета и инструкции, связанные с экспериментами, написаны на языке программирования C. ^[1]

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

Датчики и навигация

Спутники «СФЕРЫ» 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 маяков до бортовых приемников используются для расчета положения спутника относительно внешней системы отсчета. ^[1]

Для быстрого определения положения ультразвуковая времяпролетная информация дополняется данными бортовых акселерометров (3 одноосных акселерометра Honeywell QA-750) и гироскопов (3 одноосных гироскопа скорости Systron Donner QRS14). ^[1]

Мощность и срабатывание

Спутники СФЕРЫ питаются от двух неперезаряжаемых аккумуляторных батарей напряжением 12 В. Каждый аккумуляторный блок состоит из восьми аккумуляторных элементов типа АА напряжением 1,5 В, соединенных точечной сваркой. ^[2]

Спутники способны перемещаться в условиях микрогравитации с 6 степенями свободы , используя двенадцать двигателей на холодном газе, использующих жидкий CO ₂ в качестве топлива. Жидкий CO ₂ хранится в небольшом бортовом контейнере, подобном тем, которые используются в пейнтбольных ружьях. CO ₂ преобразуется в газообразное состояние перед выбросом через двигатели для приведения в движение. Требуемая тяга достигается за счет импульсной модуляции соленоидов тяги. ^[1]

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

Средства тестирования и поддержки

НАСА Программа СФЕРЫ использует вспомогательные мощности, расположенные в Исследовательском центре Эймса .

3 лаборатории ДОФ

Лаборатория с 3 степенями свободы позволяет одновременно тестировать до трех спутников СФЕРЫ на плоской гранитной поверхности, практически не имеющей трения. Спутники установлены на воздушных каретках – стойках, которые выбрасывают поток CO ₂ для создания воздушной подушки – что позволяет устройствам перемещаться по осям X и Y и вращаться по оси Z. ^[8]

Установка для испытаний на микрогравитацию (МГТФ)

Испытательная установка MicroGravity (MGTF) позволяет проводить испытания одного мобильного спутника СФЕРЫ, используя шесть степеней свободы. При этом устройство удерживается подвесом с 3 степенями свободы, который подвешивается на поступательном кране с 3 степенями свободы. Лаборатория способна предоставить навигационную систему отсчета в той же конфигурации, что и на Международной космической станции, с использованием пяти ультразвуковых маяков, а мощность двигателей на холодном газе анализируется для моделирования ожидаемого движения в условиях микрогравитации. ^[8]^[9]

Лаборатория летной сборки

Летно-сборочная лаборатория предназначена для подготовки и испытаний расходных материалов – аккумуляторных батарей и баллонов с жидким CO ₂ , – используемых агрегатами «СФЕРА».

Отдельные элементы аккумуляторных блоков тестируются, последовательно свариваются точечной сваркой и снова тестируются как блок. После использования аккумуляторные блоки выбрасываются.

Отработанные контейнеры с CO ₂ возвращаются в летно-сборочную лабораторию для повторного наполнения и испытаний на безопасность перед отправкой обратно на Международную космическую станцию. ^[8]

Доставка на Международную космическую станцию

Доставка спутников «СФЕРЫ» на Международную космическую станцию изначально планировалась на 2003 год. Однако из-за гибели космического корабля «Колумбия» в феврале 2003 года доставка состоялась только в 2006 году. ^[1]

Первый блок «СФЕРА» был доставлен на МКС беспилотной миссией снабжения « Прогресс М-56» (МКС-21П) в апреле 2006 года. Второй блок был доставлен космическим кораблем «Шаттл СТС-121» в июле 2006 года. Последний блок был доставлен кораблем «СФЕРА». Миссия космического корабля "Шаттл" STS-116 в декабре 2006 года. ^[10]

Эксперимент «СФЕРЫ» на борту Международной космической станции начался 18 мая 2006 года. ^[5]

Эксперименты

СмартСФЕРЫ

Эксперимент SmartSPHERES оснастил три спутника SPHERES на борту Международной космической станции Nexus S смартфонами , доставленными с помощью космического корабля "Шаттл" STS-135 . Каждый спутник был улучшен за счет использования вычислительной мощности, беспроводной сети, камеры, датчиков и сенсорного дисплея подключенного смартфона. Наличие исходного кода операционной системы Android позволило использовать устройства в качестве компактных, недорогих и маломощных компьютеров. ^[11]^[12]

В эксперименте изучается возможность использования спутников «СФЕРА» для проведения автономных и дистанционных экологических и инвентарных исследований на борту космической станции с целью сокращения времени, затрачиваемого космонавтом на выполнение рутинных задач. Полученные знания также помогут в разработке будущих космических аппаратов, которые смогут совершать выходы в открытый космос и помогать астронавтам в выполнении их задач. ^[11]

Эксперимент SmartSPHERES проводится Группой интеллектуальной робототехники Исследовательского центра Эймса при финансовой поддержке программы обеспечения разработки и демонстрации технологий Управления миссий НАСА по исследовательским системам. ^[11]

СФЕРЫ-ГОЛОВОКРУЖЕНИЕ

Эксперимент «СФЕРЫ-ВЕРТИГО» (СФЕРЫ-визуальная оценка и относительное отслеживание для проверки общих объектов) направлен на разработку программного и аппаратного обеспечения, которое может генерировать трехмерные карты взаимодействующих или несотрудничающих объектов с использованием компьютерного зрения и осуществлять навигацию исключительно относительно таких объектов. по ссылкам на сгенерированные карты. ^[13]

В рамках эксперимента одновременной локализации и картографии (SLAM). разработаны и протестированы новые алгоритмы ^[13]

Для облегчения эксперимента «СФЕРА-ВЕРТИГО» каждый спутник «СФЕРА» на борту МКС оснащен дополнительными «очками» – устройством, подключаемым к «СФЕРЕ» через порт расширения и оснащенным стереокамерой, ультразвуковыми датчиками, одноплатным компьютером, высокопроизводительным -скоростные средства связи и аккумуляторы. ^[13]

Разработанные технологии будут использоваться в будущих автономных космических аппаратах, которые смогут работать в одиночку или в группах для картирования астероидов , проверки падающих спутников или вывода космического мусора с орбиты . ^[13]

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

СФЕРЫ-КОЛЬЦА ДОД

Эксперимент DOD SPHERES-RINGS ( Министерства обороны США Резонансно-индуктивная система генерации ближнего поля ) направлен на разработку программного и аппаратного обеспечения, способного осуществлять полет с электромагнитными формациями (EMFF) и беспроводную передачу энергии в условиях микрогравитации. ^[14]

В эксперименте используются два аппаратных блока, подключенных к спутникам «СФЕРА», состоящих из алюминиевых резонансных катушек, корпуса катушек с вентиляторами, электроники и аккумуляторов. ^[14]

Отдельные блоки СФЕРЫ маневрируют относительно друг друга путем создания контролируемых сил притяжения, отталкивания и сдвига с помощью электромагнитных катушек. Эти же катушки используются для беспроводной передачи энергии между спутниками СФЕРЫ посредством резонансной индуктивной связи . В рамках эксперимента также разрабатываются программные алгоритмы, позволяющие избежать столкновений между спутниками. ^[14]

Полученные в ходе эксперимента знания помогут разработать бестопливные, бесшлейфовые кластерные космические аппараты, увеличить срок их эксплуатации, снизить массу космических аппаратов и связанные с этим эксплуатационные риски. ^[14]

СФЕРЫ-Слэш

Артикул: СФЕРЫ-Слэш

СФЕРЫ-Гало

Расширение спутников СФЕРЫ, которое образует кольцо (гало) вокруг спутника, обеспечивая шесть мест подключения портов расширения. Двое были доставлены на МКС.

СФЕРЫ-Универсальные стыковочные порты

Механизм стыковки, позволяющий двум спутникам СФЕРЫ жестко соединяться друг с другом. Шестеро были доставлены на МКС.

Использование в образовании

Ноль робототехники

Zero Robotics — это ежегодное международное соревнование, проводимое Массачусетским технологическим институтом, в котором участвующие студенческие команды программируют спутники СФЕРЫ для решения конкретной задачи. Соревнования проводятся в двух уровнях; турнир средней школы и турнир старшей школы. ^[15]

Первые раунды конкурса проводятся посредством моделирования. Программы финалистов загружаются на спутники «СФЕРЫ» на борту Международной космической станции и выполняются космонавтами. Мероприятие транслируется в прямом эфире в Массачусетском технологическом институте, Европе и Австралии. ^[15]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Программа приглашенных ученых СФЕРЫ» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 апреля 2016 года . Проверено 9 января 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Канис, Симеон (3 июня 2015 г.). «СФЕРЫ FAQ» . НАСА . Получено 0 января 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Канис, Симеон (3 июня 2015 г.). «История СФЕР» . НАСА . Проверено 9 января 2016 г.
^ Акерман, Эван (9 февраля 2017 г.). «Как робот НАСА Astrobee обеспечивает полезную автономность МКС» . IEEE СПЕКТР . Проверено 13 марта 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «О СФЕРАХ» . SSL.mit.edu . Архивировано из оригинала 5 марта 2016 г. Проверено 9 января 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Информационный бюллетень по сферам» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 апреля 2016 года . Проверено 1 января 2016 г.
^ Канис, Симеон (3 июня 2015 г.). «Сферы-спутники» . НАСА . Проверено 9 января 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Канис, Симеон (3 июня 2015 г.). «Объекты СФЕРЫ в НАСА AMES » НАСА . Получено 0 января 2016 г.
^ «НАСА — Центр испытаний микрогравитации» . www.nasa.gov . Проверено 9 января 2016 г.
^ «Пресс-кит СТС-116» (PDF) . Проверено 13 января 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Администратор НАСА (14 декабря 2015 г.). «Спутник НАСА на базе смартфона» . НАСА . Проверено 10 января 2016 г.
^ Рейни, Кристина (9 апреля 2015 г.). «Умные СФЕРЫ станут намного умнее» . НАСА . Проверено 10 января 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «НАСА - Синхронизированное положение, удержание, включение, переориентация экспериментальных спутников - ГОЛОВОКРУЖЕНИЕ» . www.nasa.gov . Проверено 11 января 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «НАСА - Министерство обороны: синхронизированное положение, удержание, вступление в бой, переориентация экспериментальных спутников-RINGS» . www.nasa.gov . Проверено 11 января 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Что такое нулевая робототехника?» . Zerorobotics.mit.edu . Проверено 31 января 2016 г.

Внешние ссылки

Веб-сайт СФЕРЫ на сайте NASA.gov.
Веб-сайт СФЕРЫ. Архивировано 15 августа 2006 г. на Wayback Machine на MIT.edu.
Тестовые сессии СФЕРЫ , заархивированные 3 февраля 2014 г. на Wayback Machine.
Страница СФЕРЫ. Архивировано 26 января 2014 г. на Wayback Machine на MIT.edu.
Лаборатория космических систем Массачусетского технологического института
Аврора Полетные науки
«Ховердроиды Космической станции, сражающиеся на световых мечах, будут модернизированы» в The Register

[:2-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Программа приглашенных ученых СФЕРЫ» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 апреля 2016 года . Проверено 9 января 2016 г.

[:3-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Канис, Симеон (3 июня 2015 г.). «СФЕРЫ FAQ» . НАСА . Получено 0 января 2016 г.

[:5-3] Перейти обратно: ^а ^б Канис, Симеон (3 июня 2015 г.). «История СФЕР» . НАСА . Проверено 9 января 2016 г.

[4] Акерман, Эван (9 февраля 2017 г.). «Как робот НАСА Astrobee обеспечивает полезную автономность МКС» . IEEE СПЕКТР . Проверено 13 марта 2018 г.

[:4-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «О СФЕРАХ» . SSL.mit.edu . Архивировано из оригинала 5 марта 2016 г. Проверено 9 января 2016 г.

[:1-6] Перейти обратно: ^а ^б «Информационный бюллетень по сферам» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 апреля 2016 года . Проверено 1 января 2016 г.

[7] Канис, Симеон (3 июня 2015 г.). «Сферы-спутники» . НАСА . Проверено 9 января 2016 г.

[:0-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Канис, Симеон (3 июня 2015 г.). «Объекты СФЕРЫ в НАСА AMES » НАСА . Получено 0 января 2016 г.

[9] «НАСА — Центр испытаний микрогравитации» . www.nasa.gov . Проверено 9 января 2016 г.

[10] «Пресс-кит СТС-116» (PDF) . Проверено 13 января 2016 г.

[:6-11] Перейти обратно: ^а ^б ^с Администратор НАСА (14 декабря 2015 г.). «Спутник НАСА на базе смартфона» . НАСА . Проверено 10 января 2016 г.

[12] Рейни, Кристина (9 апреля 2015 г.). «Умные СФЕРЫ станут намного умнее» . НАСА . Проверено 10 января 2016 г.

[:7-13] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «НАСА - Синхронизированное положение, удержание, включение, переориентация экспериментальных спутников - ГОЛОВОКРУЖЕНИЕ» . www.nasa.gov . Проверено 11 января 2016 г.

[:8-14] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «НАСА - Министерство обороны: синхронизированное положение, удержание, вступление в бой, переориентация экспериментальных спутников-RINGS» . www.nasa.gov . Проверено 11 января 2016 г.

[:9-15] Перейти обратно: ^а ^б «Что такое нулевая робототехника?» . Zerorobotics.mit.edu . Проверено 31 января 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]