University of Colorado, Boulder – Projekt MACULA

Die fertig konstruierte Baugruppe des Projekts MACULA.

Als Spezies haben wir in den letzten 61 Jahren enorme Fortschritte gemacht, um den kosmischen Raum, in dem wir leben, zu erforschen. Unsere Raumsonden haben wunderbare Fotos von vielen Himmelskörpern in unserem Sonnensystem erhalten. Die Liste der Körper, auf denen wir tatsächlich Raumschiffe gelandet haben, ist jedoch sehr kurz. Es gab sanfte Landungen auf Mond, Venus, Mars, Titan, Eros, Iokawa und Comet 67P. Die Landung auf außerirdischen Körpern ist aufgrund unseres begrenzten Wissens über ihre Oberflächentopographien schwierig. Der Mond und der Mars wurden relativ gut kartiert, aber selbst in diesen Fällen zielen wir aufgrund der Ungewissheit der genauen Landebahnen immer noch auf große flache Gebiete. Die Idee des Projekts MACULA ist es, dem Fahrzeug zu ermöglichen, während der Schwebephase der Landung mithilfe eines Lidar-Scans selbst einen sicheren Landeplatz zu lokalisieren.

Das Projekt MACULA begann an der University of Colorado Boulder, als zehn Studenten der Luft- und Raumfahrttechnik die Aufgabe erhielten, ein Lidar-unterstütztes EDL-System (Entry, Descent, Landing) für Raumfahrzeuge zu entwickeln. In der 60-Sekunden-Sinkphase scannt das Lidar-System die Landezone auf steile Steigungen und Hindernisse. Der Bordcomputer nimmt die Daten aus den Scans und verwendet sie, um den am besten geeigneten Landeplatz zu bestimmen.

Die Scannereinheit.

Die meisten topografischen Lidar-Systeme verwenden kardanische Aufhängungen, Spiegel oder Risley-Prismen, um einen Infrarotlaserstrahl über den Scanbereich zu richten. Das MACULA-Team verwendete zwei Risley-Prismen, die über ein Motorsteuerungssystem eingestellt wurden. Hier kommen die Servoantriebe ins Spiel. Die Projektanforderungen erforderten, dass der Scan und die Analyse 20° vom Nadir (dem Punkt auf einem Planeten direkt unter dem Fahrzeug) abdecken, eine Auflösung von besser als 0,1 m aufweisen und innerhalb von 60 Sekunden abgeschlossen sind. Dies bedeutete, dass die Motoren benötigt wurden, um die Risley-Prismen schnell und genau genug zu drehen, um den Scan abzuschließen.

Ein AMC-Laufwerk ist angeschlossen.

Nachdem Teammitglied Nick Dawson AMC kontaktiert hatte, gewährte AMC ihm einen 25%-Rabatt auf zwei DPPANIU-020B080A-Servoantriebe. Mit den installierten Servoantrieben konnten die Motoren ihre erforderliche Beschleunigung und Geschwindigkeit erreichen, und das System konnte die erforderlichen Scans durchführen, solange der simulierte Abstieg langsam genug war.

Das Team beginnt mit den Nadirtests.

Nach monatelanger unermüdlicher Arbeit an ihrem System konstruierte das Team eine simulierte Landezone zum Testen. Ihr System scannte sie, bestimmte die Topografie und erstellte eine binäre Karte von guten und schlechten Landeplätzen. Sie führten zwei Testreihen durch: eine Reihe, bei der die Zone direkt am Nadir platziert wurde, und eine Reihe, bei der sie am Rand des Scanbereichs platziert wurde. Die Ergebnisse waren zwar nicht perfekt, aber unglaublich beeindruckend. Im Durchschnitt markierte MACULA 96,61 TP2T der Punkte korrekt und hatte eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 0,0451 TP2T in den Nadir-Versuchen. In den Randversuchen markierte MACULA noch 92,91 TP2T der Punkte richtig und hatte im Mittel eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 1,821 TP2T.

Das Projekt MACULA war ehrgeizig. Im Durchschnitt investieren die zehn Studierenden im Herbstsemester 200 Arbeitsstunden pro Woche in das Projekt, im Frühjahrssemester 170 Arbeitsstunden pro Woche. Und sie kamen unter ihr Budget von $8.300 und hatten nur $641,57 übrig, ein Drittel der Marge, die sie in ihrer kritischen Designphase berechnet hatten. Während die Gruppe sagte, dass sie einige wertvolle Lektionen in der Budgetierung von Zeit und Geld gelernt haben, haben sie es letztendlich geschafft.

Das Prototypsystem der Studenten ist natürlich ein Machbarkeitsnachweis, der wahrscheinlich nie auf einem echten Raumschiff landen wird. Sein Erfolg verleiht der Lidar-unterstützten EDL jedoch Legitimität, die die Weltraumforschung revolutionieren könnte und es uns ermöglicht, die Oberflächen von Monden, Asteroiden, Kometen und vielleicht sogar Planeten zu erforschen, die wir uns vorher nur vorstellen konnten.

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