El Proyecto Morpheus fue un proyecto de la NASA que comenzó en 2010 para desarrollar un vehículo de prueba de despegue y aterrizaje vertical ( VTVL ) llamado Morpheus Lander . Su objetivo es demostrar un nuevo sistema propulsor de nave espacial no tóxico (metano y oxígeno) y una tecnología autónoma de detección de peligros y aterrizaje. El prototipo de módulo de aterrizaje planetario es capaz de realizar vuelos autónomos, incluidos despegues y aterrizajes verticales. Los vehículos son módulos de aterrizaje robóticos diseñados por la NASA que podrán aterrizar y despegar con 1,100 libras (500 kg) de carga en la Luna . [7]La perspectiva es un motor que funcione de manera confiable con propulsores que no solo son más baratos y seguros aquí en la Tierra, sino que también podrían fabricarse potencialmente en la Luna y Marte . [8] [9] (Ver: Utilización de recursos in situ ).
País de origen | EE.UU |
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Último vuelo | 15 de diciembre de 2014 [1] |
Diseñador | NASA |
Fabricante | NASA / JSC |
Solicitud | Módulo de aterrizaje planetario y lunar |
Estado | Completado [2] |
Motor de combustible líquido | |
Propulsor | oxígeno líquido / metano [3] |
Actuación | |
Empuje | 24000 N [4] |
Impulso específico | 321 s [5] |
Quemar tiempo | probado: 123 s [6] |
Utilizado en | |
Morpheus Lander | |
Referencias | |
Referencias | morpheuslander |
El prototipo de módulo de aterrizaje Alpha fue fabricado y ensamblado en el Centro Espacial Johnson (JSC) de la NASA y en las instalaciones de Armadillo Aerospace cerca de Dallas. [7] El prototipo de módulo de aterrizaje es una "nave espacial" que tiene aproximadamente 12 pies (3.7 m) de diámetro, pesa aproximadamente 2.400 libras (1.100 kg) y consta de cuatro tanques de propulsor esféricos plateados coronados por cajas de aviónica y una red de cables. [10] [11] [12]
El proyecto está probando prácticas de ingeniería de "desarrollo ajustado" que ahorran tiempo y costes. Otras actividades del proyecto incluyen operaciones en tierra apropiadas, operaciones de vuelo, seguridad de alcance y la instigación de procedimientos de desarrollo de software. También se construyeron pistas de aterrizaje y centros de control. [7] Desde el inicio del proyecto en julio de 2010, se gastaron alrededor de $ 14 millones en materiales en los siguientes 4 años; por lo que el proyecto Morpheus se considera esbelto y de bajo costo para la NASA. [11] [13] En 2012, el proyecto empleó a 25 miembros del equipo a tiempo completo, [14] y 60 estudiantes. [15] [16] En un momento dado, un promedio de 40 personas trabajaron en el proyecto. [2] El Proyecto Morpheus ideó y utilizó procesos y prácticas optimizados. [17] El último vuelo del Morpheus Lander fue en diciembre de 2014. Como no había fondos para vuelos adicionales, el módulo de aterrizaje fue devuelto a JSC en febrero de 2015. [18] El proyecto produjo seis documentos formales. Al final de la revisión del proyecto el 12 de marzo de 2015, se estimó que se habían ahorrado 50 millones de dólares mediante los métodos de desarrollo ajustados, minimizando la documentación, los artículos "Mendigar y pedir prestado" y la compra de piezas en las tiendas de Home Depot. [2]
Historia
El Proyecto Morfeo comenzó en julio de 2010 y recibió su nombre de Morfeo , el dios griego de los sueños. [19] La nave espacial Morpheus se derivó del módulo de aterrizaje experimental producido por el Proyecto M con la ayuda de Armadillo Aerospace . El Proyecto M (NASA) fue una iniciativa de la NASA para diseñar, desarrollar y aterrizar un robot humanoide en la superficie lunar en 1000 días. [20] El trabajo en algunos de los sistemas de aterrizaje comenzó en 2006, cuando el programa Constellation de la NASA planeó un regreso humano a la Luna. [11]
En el mismo año 2006, Armadillo Aerospace ingresó el primer módulo de aterrizaje de cohetes Pixel en el Lunar Lander Challenge, parte de los Centennial Challenges de la NASA . [21]
El vehículo de prueba Morpheus # 1 Unidad A se incendió por primera vez el 15 de abril de 2011. [22]
El nuevo motor de 19.000 N (4.200 libras de fuerza) de Morpheus [23] permitió a la NASA volar durante más tiempo al levantar más propelente en el aire. El motor se actualizó nuevamente en 2013 a 5,000 lbf (22,000 N) y finalmente llegó a 5,400 lbf (24,000 N). [4] [24] Un nuevo diseño de tren de aterrizaje fue parte de los cambios mecánicos. La NASA también reemplazó la aviónica, esto incluyó la distribución y el almacenamiento de energía, la instrumentación, la computadora de vuelo, las comunicaciones y el software. El sistema de aterrizaje mejorado permite a Morpheus, a diferencia de los Pixels, despegar, volar y aterrizar sin la ayuda de un piloto. [25]
Para propósitos de seguridad de alcance, el prototipo Morpheus # 1 cae en la categoría de cohete reutilizable suborbital guiado. [26] : pág. 11
En julio de 2012, el prototipo de módulo de aterrizaje fue enviado al Centro Espacial Kennedy para realizar pruebas de vuelo gratuitas y los medios de comunicación fueron invitados a ver el módulo de aterrizaje Morpheus. [27] El 9 de agosto de 2012, el prototipo de módulo de aterrizaje Morpheus # 1 Unidad A (Alpha) se estrelló en el despegue, mientras realizaba su segundo vuelo sin ataduras en el Centro Espacial Kennedy. Nadie resultó herido y ninguna propiedad sufrió daños, pero el vehículo sufrió daños irreparables. El proyecto investigó la causa y continuó construyendo la unidad B. [28] En la segunda mitad de 2012, los equipos del Proyecto Morpheus y ALHAT se combinaron. [6]
El 7 de febrero de 2013, el equipo del Proyecto Morpheus escribió en su blog que habían construido los vehículos Morpheus 1.5B y 1.5C. Los vehículos se sometieron a una serie de pruebas de vuelo estático y dinámico en el Centro Espacial Johnson en la primavera de 2013 en preparación para un regreso a las pruebas de vuelo libre en el Centro Espacial Kennedy a finales de ese año. [6] [29]
El 1 de mayo de 2013, el banco de pruebas de reemplazo Morpheus # 1.5 Unidad B fue encendido en caliente en el Centro Espacial Johnson. Las mejoras del reemplazo incluyen un motor principal de empuje de 5.400 libras de fuerza (24.000 N) y un sistema de control de reacción de oxígeno / metano integrado (RCS), lo que lo convierte en el primer vehículo de oxígeno / metano con motores Main y RCS que extraen propelente de los mismos tanques y el primer vehículo. utilizar un sistema RCS criogénico. [4] [24] El 14 de junio de 2013 se demostró una rápida reutilización al tener dos vuelos utilizando el mismo módulo de aterrizaje el mismo día. [31] En julio de 2013, el equipo ALHAT se integró y se probó con el módulo de aterrizaje. [32] El 26 de septiembre de 2013, los vehículos realizaron 20 disparos cortos del motor en una variedad de condiciones mientras estaban sujetos al suelo. [33]
En noviembre de 2013, el Bravo Lander fue llevado al Centro Espacial Kennedy (KSC), Florida, para realizar pruebas de vuelo gratuitas. [34] [35] Se compraron $ 750,000 en partes para hacer el módulo de aterrizaje de reemplazo. KSC limitó las vibraciones de ruido en el módulo de aterrizaje a medida que despega mediante el diseño de una plataforma de lanzamiento móvil con una trinchera de llamas incorporada. [dieciséis]
El Vuelo Libre 9 el 11 de marzo de 2014 fue el último vuelo antes de la integración de los sensores ALHAT en el vehículo Bravo. [36] El Vuelo Libre 14 el 28 de mayo de 2014 se realizó de noche con el ALHAT actuando como el principal sistema de guía. Los peligros en el campo de peligro se evitaron automáticamente. [37]
En mayo de 2014, el Proyecto Morpheus de la NASA formó parte del material de referencia para la iniciativa Lunar CATALYST de la NASA . [38]
En 2013 se publicó un documento que revela las lecciones aprendidas durante el desarrollo, que pueden ser útiles para proyectos futuros. [39] En 2014 se publicó un documento que describe la campaña de prueba integrada, incluidos los vuelos gratuitos. [40]
Un artículo con una breve historia del proyecto se imprimió en RocketSTEM el 11 de julio de 2014. [41]
En noviembre de 2014, el Morpheus Lander se equipó con sensores ALHAT adicionales. La nueva óptica permite que el Lidar Doppler de navegación mida con precisión la velocidad del vehículo en relación con el suelo. [42]
Objetivos
Los objetivos principales del proyecto Morpheus fueron demostrar:
- el rendimiento del sistema integrado del sistema autónomo de Orientación, Navegación y Control (GN&C),
- sensores para evitar peligros del terreno,
- el acoplamiento de los sensores con el GN&C,
- la utilización de un sistema de propulsión de metano líquido y oxígeno líquido del motor principal / RCS integrado . [3] [43] [Nota a]
Específicamente, el proyecto Morpheus y el proyecto Autonomous Landing Hazard Avoidance Technology (ALHAT) proporcionan las bases tecnológicas para los componentes clave necesarios para transportar humanos más allá de la órbita terrestre baja . [7]
El banco de pruebas puede equiparse opcionalmente con una carga de hasta 1000 lb, lo que permite instalar el equipo de tecnología de prevención de peligros de aterrizaje autónomo (ALHAT) de 400 lb , que permite aterrizajes sin la interacción del operador. [10] [44] ALHAT permite que el módulo de aterrizaje vuele a una ubicación específica con alta precisión y evite automáticamente peligros que incluyen pendientes de más de 5 grados y rocas de más de 30 cm. [45]
En junio de 2013, el equipo comentó sobre el potencial de escalar el módulo de aterrizaje de carga útil de 500 kg hasta uno capaz de aterrizar un módulo habitable con una tripulación en lugares como la Luna. [46]
Especificaciones de hardware
Descripción | Tamaño | Árbitro |
---|---|---|
Carga útil | 500 kilogramos | [7] |
Secado masivo | ~ 1100 kilogramos | [10] |
Propulsor | metano / LOX | [3] |
Masa propulsora | 2900 kilogramos | [3] |
Tanques de propulsante | 4 de descuento | [11] |
Presurización | helio | [7] |
Altura | 3,7 m | [12] |
Diámetro | 3,7 m | [12] |
Motor principal | HD5 | [6] |
Propelente primario RCS | metano / LOX | [24] |
Empuje RCS | 22–67 N | [47] |
Propelente de respaldo RCS | helio (él) | [48] |
Hardware opcional | ALHAT | [44] |
Clase de láseres en ALHAT | IV | [49] |
Descripción | Tamaño | Árbitro |
---|---|---|
Empuje | 24000 N | [4] |
Impulso específico | 321 s | [5] |
Quema máxima (probada) | 123 segundos | [6] |
Propulsor | metano / LOX | [3] |
Gama del acelerador | 4: 1 | [4] |
Relación de mezcla de combustible | (Por determinar ) | - |
Relación de boquilla | (Por determinar ) | - |
Arranque por aire | sí | [50] |
Motor reiniciable | sí | [31] [33] |
Vida útil máxima | (Por determinar ) | - |
Peso | (Por determinar ) | - |
Presión de la cámara | (Por determinar ) | - |
Fabricar | NASA JSC | [7] |
Tierra mínima a la boquilla durante el encendido | ~ 15 pies | [40] |
Costo de fabricación por motor (2013) | $ 60 000 | [2] |
El vehículo del Proyecto Morpheus 'Morpheus' es un vehículo a gran escala que la NASA pretende que sea capaz de aterrizar Robonaut o una carga útil de tamaño similar a la superficie lunar. La nave espacial realizará todas las quemaduras de propulsor después de la inyección translunar. [7] [51]
La navegación es completamente autónoma desde la órbita lunar hasta el aterrizaje. Las actualizaciones de navegación provienen de la altimetría láser TRN y los rastreadores de estrellas después de la quema de órbita. La navegación en el espacio profundo se basa en rastreadores radiométricos y de estrellas. [52]
Para ahorrar dinero y tiempo, los prototipos de módulos de aterrizaje Morpheus son prototipos de "cadena única", esto significa que, a diferencia de una nave espacial clasificada para vuelos espaciales reales, no tienen sistemas redundantes. Las excepciones se indican a continuación. [14]
- Morpheus # 1.5 Unidad A
- El motor quema los propulsores ecológicos metano y oxígeno, [3] presurizados por helio [7]
- El motor Morpheus HD4 produjo 4,200 libras-fuerza (19,000 N) de empuje [23] compatible con la etapa de ascenso de Altair [43] (Más tarde mejorado para las Unidades B y C, ver más abajo)
- El motor tiene un impulso específico máximo (Isp) durante el vuelo espacial de 321 segundos. [5]
- El motor criogénico alimentado a presión admite estrangulamiento 4: 1 y utiliza un diseño de inyector de elemento impactante. [4]
- El motor está impulsado por dos actuadores electromecánicos ortogonales (EMA) para proporcionar un control vectorial de empuje de la traslación lateral y las actitudes de cabeceo y guiñada. [5]
- Tiene cuatro tanques de 48 pulgadas (1200 mm) de diámetro, 2 para metano líquido y 2 para oxígeno líquido, capaces de contener aproximadamente 2900 kg (6400 lb) de propulsor [3]
- La masa seca aproximada es de 2.400 lb (1.100 kg). [10]
- Tamaño de aproximadamente 12 pies x 12 pies x 12 pies ( 3,7 mx 3,7 mx 3,7 m ). [12]
- El módulo de aterrizaje Versión 1.5, con su motor HD5, puede aterrizar 500 kg (1,100 lb), esto incluye realizar todas las quemaduras de propulsor después de la inyección translunar. [7]
- Los propulsores del sistema de control de reacción primario (RCS), que se utilizan para controlar el balanceo del módulo de aterrizaje, utilizan metano y LOX de los tanques principales. [5] [24] El empuje producido es de 5 a 15 libras-fuerza (22 a 67 N). [47]
- El RCS de respaldo usa helio (He). [48]
- Los motores principal y RCS fueron diseñados y construidos en NASA / JSC y se probaron en NASA / JSC, NASA / SSC y NASA / KSC [4] [47] [53]
- Una placa Aitech S950 CompactPCI con un procesador PowerPC 750 se utiliza como computadora principal. [5]
- Se pueden almacenar hasta 16 GB de datos a bordo. [5]
- Los buses de datos incluyen RS-422, RS-232, Ethernet y MIL-STD-1553. [5]
- En vuelo, la aviónica y la unidad de potencia (APU) se enfrían con metano líquido, luego se ventila cualquier vapor resultante. [54]
- En el suelo, el nitrógeno líquido se utiliza para el enfriamiento de la aviónica. Antes de los vuelos, la aviónica se purga de agua utilizando nitrógeno gaseoso. [5]
- Cámaras a bordo. [5]
- La telemetría se devuelve utilizando las comunicaciones inalámbricas de espectro ensanchado. [5]
- La energía eléctrica es suministrada por 8 baterías de polímero de litio. [5]
- Conjunto de sensores GN&C que incluye:
- Receptor del sistema de posicionamiento global (GPS) de Javad
- Versión de la Estación Espacial Internacional (ISS) del GPS / INS integrado espacial de Honeywell (SIGI)
- Unidad de medida inercial (IMU) Litton LN-200
- Altímetro láser Acuity. [5]
- El Core Flight Software (CFS) del Goddard Space Flight Center (GSFC) proporciona la arquitectura del software del vehículo. [5]
- Cada una de las 4 patas tiene una almohadilla para los pies cubierta con material resistente al fuego para suavizar los aterrizajes. [55]
- Las unidades de acelerómetro independientes se construyeron utilizando el Sistema de Instrumentación Modular (MIS) diseñado por Johnson Space Center [56]
- Hardware ALHAT opcional. El equipo ALHAT y su masa se consideran parte de la carga útil. [44]
Los comandos se pueden enviar utilizando radios de frecuencia ultra alta (UHF) independientes al sistema de terminación de empuje (TTS). El uso del TTS por seguridad de rango cerrará dos válvulas motorizadas que cortan el flujo de oxígeno líquido y metano al motor, terminando así el empuje del motor. Estas válvulas TTS son completamente independientes del resto de sistemas del vehículo. El TTS también detiene el disparo del láser del sistema de detección de peligros de ALHAT, ya que los láseres de tipo IV no son seguros para los ojos. [5] [57]
Para obtener más detalles, consulte el documento "Morpheus: Advancing Technologies for Human Exploration". [5]
- Morpheus # 1.5 Unidad B
El prototipo de módulo de aterrizaje Morpheus # 1 Unidad B utiliza el mismo diseño que el prototipo de módulo de aterrizaje Morpheus # 1.5 Unidad A con los siguientes cambios: [14]
- Se agregaron sistemas de respaldo para la unidad de medición inercial [14]
- 70 actualizaciones diferentes del vehículo y los sistemas terrestres para abordar los posibles contribuyentes a la falla de la prueba y también para mejorar la operatividad y el mantenimiento. [24] Estos incluyen:
- capacidad avanzada de rendimiento del motor,
- protocolos de comunicación mejorados,
- instrumentación redundante en su caso,
- aumento de los márgenes estructurales,
- y entornos vibroacústicos de lanzamiento mitigado. [24]
- Los motores Morpheus HD4 y HD5 mejorados producen un empuje de 5.400 libras de fuerza (24.000 N). [4] : pág. 4
- El proyecto estima que el nuevo motor podría elevar la etapa de ascenso de un módulo de aterrizaje tripulado con 3-4 personas a la órbita lunar [58].
- Los conectores fueron reemplazados por versiones de especificación militar. [59]
- Rápida reutilización, permitiendo múltiples vuelos en un día. [31]
- El Lander puede soportar vientos de aproximadamente 10 millas por hora (16 km / h). [60]
- Para reducir los problemas de lanzamiento vibroacústico durante las pruebas de sujeción, el módulo de aterrizaje se levantó a 4,6 m (15 pies) del suelo y se utilizó un cable liviano que se derrite para sujetar el módulo de aterrizaje. [40] : pág. 4
- La unidad B también se llama vehículo Bravo. [29]
- Morpheus # 1.5 Unidad C
El prototipo de módulo de aterrizaje Morpheus # 1 Unidad C utiliza el mismo diseño que el prototipo de módulo de aterrizaje Morpheus # 1.5 Unidad A con los siguientes cambios: [14]
- Mejoras como la Unidad B anterior. Este vehículo nunca fue volado. [14]
Tecnología autónoma para evitar peligros de aterrizaje
El equipo opcional de tecnología autónoma para evitar el peligro de aterrizaje (ALHAT) permite aterrizajes sin la interacción del operador. [44] ALHAT permite que el módulo de aterrizaje vuele a una ubicación específica con alta precisión y evite automáticamente peligros que incluyen pendientes de más de 5 grados y rocas de más de 30 cm. [45] Los sensores activos incluyen un flash LIDAR , un velocímetro lidar Doppler y un altímetro láser. [49] [61]
Software
La filosofía de desarrollo lean del Proyecto Morpheus dio como resultado una combinación de software nuevo y previamente existente. El software se utiliza en:
- el banco de pruebas vertical (módulo de aterrizaje). [62] El Core Flight Software (CFS) desarrollado por NASA-Goddard-Space-Flight-Center ha sido mejorado con software de aplicaciones específicas y aplicaciones personalizadas de sensores y E / S.
- desarrollo de hardware. [63] Incluido el uso del paquete OVERFLOW (y pruebas en túnel de viento).
- el entorno terrestre, incluido el control de la misión. [64] Mission Control Technologies se ha utilizado para mostrar las presiones del tanque de propulsor y otros parámetros durante el disparo de prueba. [sesenta y cinco]
- el sistema ALHAT . [66]
- simulación de vuelo, tanto fuera de línea como conectado al hardware de vuelo. [67] Los paquetes utilizados incluyen JSC Trick Simulation Environment, el paquete JSC Engineering Orbital Dynamics (JEOD) y el paquete JSC de modelos genéricos Valkyrie. Los parámetros se han ajustado para reflejar el hardware de vuelo de Morpheus, como los actuadores y los datos obtenidos de los vuelos de prueba atados.
- Los ingenieros y gerentes utilizaron el paquete Microsoft SharePoint para planificar, compartir documentos y proporcionar un método de control de cambios de configuración. [68]
- los documentos se escribían con frecuencia con Microsoft Office. [68]
Ensayos en banco de pruebas
- 2011
A partir de abril de 2011, el enfoque principal del banco de pruebas es demostrar una propulsión integrada y sistemas de guía, navegación y control ( GN&C ) basados en la inercia que pueden volar un perfil de descenso lunar, ejerciendo así la tecnología de evitación de peligros y aterrizaje autónomo (ALHAT). ), sensores de aterrizaje seguro y sistema de control de vuelo de circuito cerrado. [43] yo
Los objetivos adicionales incluyen demostraciones de tecnología como material y fabricación de tanques, propulsores de control de reacción, mejoras en el rendimiento del motor principal, sistemas de presurización de helio, operaciones en tierra, operaciones de vuelo, seguridad de alcance, software y arquitectura de aviónica. [7]
El Complejo de Vuelo Vertical Test Bed (VTB) en JSC ha estado utilizando con éxito el software Mission Control Technologies (MCT) escrito en NASA Ames para controlar los vuelos de prueba del módulo de aterrizaje Morpheus. Los parámetros mostrados incluyen las presiones del tanque de propulsor. [69]
Para el vehículo Morpheus se diseñó un conjunto de vuelos de prueba de vehículos integrados que incluían pruebas de vuelo estacionario atado y de fuego caliente y "vuelos libres" sin ataduras. [5]
Para proporcionar espacio para la columna de escape del vehículo durante las pruebas de fuego caliente, el módulo de aterrizaje se amarró a 20 pies (6,1 m) sobre el suelo. Se usó una altura de 15 pies (4,6 m) para la prueba de amarre. [40] : pág. 4
Las pruebas, los resultados de las pruebas y las modificaciones del equipo realizadas durante 2011, hasta la Prueba Tethered 6 inclusive, se publicaron en las actas de la conferencia de la Conferencia Aeroespacial IEEE de 2012 en Big Sky, MT [70]
- 2012
Se han publicado videos de los vuelos de prueba en el canal Morpheus Lander de YouTube. Esto incluye los vuelos de prueba de regresión de 2012 con el motor V1.5 más potente mientras el módulo de aterrizaje está atado, y el problemático vuelo de prueba temprano que muestra "Es por eso que probamos". [71]
El 10 de mayo de 2012, el banco de pruebas pasó sus pruebas de suspensión y aborto suave, que se muestran en el video "Morpheus Tether Test 15". [71] El módulo de aterrizaje fue devuelto al taller para instalar el equipo ALHAT. También se instalaron los propulsores del sistema de control de reacción (RCS). [72] [73]
Durante el verano de 2012, la Unidad A Morpheus Lander V1.5 fue transferida al Centro Espacial Kennedy en Florida para una prueba de vuelo sin ataduras. Además, se construyó un "campo de peligro" que contiene peligros como rocas y cráteres al final de la pista del transbordador espacial para probar que el sistema ALHAT puede navegar automáticamente a un lugar de aterrizaje despejado. [74] Como se puede ver en la fotografía, los amplios espacios abiertos del Kennedy permiten que toda la trayectoria de vuelo, incluida la pista y el campo de peligro, esté rodeada por un cortafuegos que consiste en un foso lleno de agua.
El campo de peligro de 330 por 330 pies (100 por 100 m) incluía cinco posibles pistas de aterrizaje, 311 pilas de rocas y 24 cráteres que imitan un área en el polo sur de la Luna. [11]
El 20 de julio de 2012, el 43 aniversario del aterrizaje lunar del Apolo 11, el vehículo de prueba Morpheus llegó al Centro Espacial Kennedy (KSC) para realizar pruebas avanzadas. La versión HD5 de alto rendimiento del motor Morpheus se probó en el Centro Espacial Stennis en el verano de 2012. Las pruebas y la construcción del campo de peligro fueron pagadas por el Programa de Sistemas de Exploración Avanzada (AES) de la NASA. [53]
- 2013
Durante el otoño de 2012 y principios de 2013, se probaron en el Centro Espacial Stennis un motor de cohete Morpheus de metano / LOX de cuarta y quinta generación . Una quemadura exitosa de larga duración duró 123 segundos. Otras pruebas verificaron las capacidades y los niveles de aceleración. [6]
El equipo ALHAT se probó utilizando un helicóptero en el campo de peligro KSC. Se realizaron múltiples vuelos utilizando trayectorias similares a las de Morfeo, que debían tener en cuenta la dirección del viento. [6]
Los tanques de combustible para el módulo de aterrizaje se sometieron a una serie de inspecciones y pruebas, incluida la verificación de las soldaduras en busca de defectos y el ciclo de presión del tanque para establecer una expectativa de vida útil mínima de los tanques. La capacidad de presión máxima se verificó presurizando un tanque de sacrificio hasta que explotó. [6]
El 1 de mayo de 2013 en JSC, el banco de pruebas de reemplazo de la Unidad B Morpheus se disparó durante 50 segundos mientras estaba completamente conectado. También se dispararon el sistema integrado de control de la reacción de metano (RCS) y los chorros de control del vector de empuje (TVC). Se han incorporado muchas mejoras en los sistemas del vehículo y de tierra. [24]
El 16 de mayo de 2013 en JSC, el banco de pruebas se disparó mientras estaba sujeto al suelo, y luego se ató a 3 pies (0,91 m) sobre el suelo, seguido de algunas pruebas del sistema de control de reacción. Se reparó una pequeña fuga, lo que permitió que la prueba de los efectos de la vibración fuera nominal. En preparación para las pruebas, se pavimentó el cortafuegos alrededor del área de prueba y se cavó una mini "trinchera de llamas". [50] [75]
El 24 de mayo de 2013 en JSC, el banco de pruebas V1.5B estaba muy conectado. Hubo un buen encendido y ascenso. Un aborto suave terminó el vuelo cuando el vehículo excedió un límite establecido internamente mientras intentaba estabilizarse. [58]
El 6 de junio de 2013 en JSC en Tethered Test 22, un banco de pruebas atado voló con éxito durante 74 segundos. El vuelo estacionario duró 60 segundos y fue suave. [76] Usó la IMU primaria. [77]
El 11 de junio de 2013, en una prueba atada en JSC, la Unidad de Medición Inercial (IMU) de respaldo pasó su prueba de vuelo. El vuelo duró 27 segundos, incluidos 17 segundos en vuelo estacionario. [77]
El 14 de junio de 2013 se realizaron dos vuelos amarrados. El primer disparo fue abortado suavemente cuando el vehículo excedió su zona de seguridad debido a un desequilibrio en la carga de combustible. El segundo disparo fue exitoso. Esto cuenta como un reinicio del motor. Durante el segundo vuelo, el vehículo cambió exitosamente de usar su Unidad de Medición Inercial (IMU) primaria a la IMU secundaria. [31]
El 2 de julio de 2013 se realizaron pruebas de integración con un ALHAT conectado al Morpheus Lander. Estas pruebas incluyeron pruebas de "inclinación" en las que las patas del módulo de aterrizaje se elevaron en diferentes alturas de bloques para que la actitud fuera vertical. [78]
El 11 de julio de 2013 se realizó la primera prueba de vuelo atado del vehículo Morpheus "Bravo" con sensores láser de tecnología autónoma de aterrizaje y evitación de peligros (ALHAT) integrados en la parte superior. En el segundo intento hubo un buen encendido, pero durante el ascenso el vehículo se trasladó hacia abajo y excedió el límite de seguridad del rango establecido internamente (+/− 4 m) para las pruebas de sujeción, lo que provocó un aborto suave automático. [32]
El 23 de julio de 2013, la prueba Tethered 26 se realizó con éxito. El módulo de aterrizaje y ALHAT volaron y se cernieron a dos alturas diferentes. Se utilizaron tanto el RCS primario (metano / LOX) como el RCS de respaldo (He), lo que produjo un "aterrizaje" exitoso al final del amarre. La excursión lateral fue un máximo de solo ~ 0,2 m. El rastreo y las imágenes de ALHAT fueron nominales, logrando identificar el objetivo de peligro. [48]
El 27 de julio de 2013 funcionó la prueba combinada de Morpheus / ALHAT Tethered 27. El módulo de aterrizaje despegó, realizó imágenes ALHAT y luego una traslación lateral. [79]
El 7 de agosto de 2013, la Prueba Tethered 28 se realizó con éxito. En un vuelo que duró ~ 80 segundos, el vehículo ejecutó un encendido del motor, un ascenso, una traslación lateral de 3 metros sobre suelo de Marte simulado, 40 segundos de vuelo estacionario en el vértice y un descenso inclinado hasta el "aterrizaje" con guía de vuelo libre. El suelo simulado de Marte fue proporcionado por Jet Propulsion Laboratory (JPL) como parte de un estudio de la pluma. [80]
El 23 de agosto de 2013, el módulo de aterrizaje Bravo realizó con éxito la Prueba Tethered 29 en JSC. Durante el vuelo de ~ 50 segundos, las acciones de Bravo incluyeron encendido, ascenso y una traslación lateral de 3 metros. Hubo un vuelo estacionario de 10 segundos en el vértice y un descenso inclinado hasta el "aterrizaje" de la grúa utilizando la guía de vuelo libre. [81]
El 29 de agosto de 2013, el módulo de aterrizaje Bravo realizó con éxito el vuelo Tethered Test 30 de ~ 63 segundos en JSC. Después de un ascenso de 5 metros con 15 segundos de vuelo estacionario en el ápice, se realizó una traslación lateral hacia atrás de 3 metros. Seguido por otros 15 segundos de vuelo estacionario y un descenso inclinado hacia adelante. [29]
El 18 de septiembre de 2013, con fuertes vientos, el módulo de aterrizaje Bravo realizó con éxito la prueba Tether 31. Este vuelo supuso un cambio rápido después de que se borraran las pruebas del día anterior. El equipo resolvió varios problemas. [60]
El 24 de septiembre de 2013 se lanzó el Lander desde el suelo. Se detectaron varios problemas que resultaron en un aborto. Los problemas incluían una falsa alerta de "quemado de la boquilla del motor" e inestabilidad en el arranque del motor. El 26 de septiembre de 2013 se realizó la prueba HF10. Esto implicó 20 disparos cortos del motor el mismo día a una variedad de presiones, temperaturas y niveles de potencia. La investigación tuvo como objetivo sondear los límites de inestabilidad del motor durante el arranque. [33] [82]
El 29 de octubre de 2013, el módulo de aterrizaje y su motor de cohete metano / LOX realizaron seis quemaduras de 600 ms mientras estaban en la parte superior de la trinchera en JSC. No hubo inestabilidades. [83] El 1 de noviembre de 2013, con todas las mejoras de software y hardware incluidas, el módulo de aterrizaje realizó con éxito una prueba de vuelo atada. El vehículo realizó un arranque neumático mientras estaba sostenido por la correa. [84] El 7 de noviembre de 2013, el proyecto completó las pruebas del módulo de aterrizaje en JSC con un despegue y aterrizaje de prueba en tierra (GTAL). El vehículo voló nominalmente y aterrizó dentro de un rango transversal de 1 pulgada (2,5 cm) y 6 pulgadas (15 cm) por debajo de su objetivo previsto. La prueba GTAL caracterizó el rendimiento del vehículo al despegar de las plataformas de lanzamiento en el suelo, volar a una altura de 21 pies (6,4 m), con un perfil de vuelo estacionario y de descenso, y aterrizar de nuevo en el suelo en una plataforma separada de 10 pies (3,0 m). m) desde su punto de lanzamiento. Esto sugiere que las fallas reveladas por el Incidente 2 a continuación el 9 de agosto de 2012 ya se han encontrado y solucionado. [35] [85]
El 6 de diciembre de 2013, el vehículo integrado pasó la Prueba Tether 33 en el Centro Espacial Kennedy en Florida. Esta fue una repetición de la Prueba Tethered 29. La prueba se realizó principalmente para verificar que el módulo de aterrizaje Bravo estaba bien después de ser transportado desde Texas. [86] El 10 de diciembre de 2013 se llevó a cabo con éxito el primer vuelo libre de un prototipo de módulo de aterrizaje Morpheus en las instalaciones de aterrizaje del Centro Espacial Kennedy. La prueba de 54 segundos comenzó con el módulo de aterrizaje Morpheus lanzándose desde el suelo sobre una trinchera de llamas y ascendiendo aproximadamente 50 pies, luego flotando durante unos 15 segundos. Luego, el módulo de aterrizaje voló hacia adelante y aterrizó en su plataforma a unos 23 pies del punto de lanzamiento y a unas 6 pulgadas del punto objetivo. [16] [87] [88]
El 17 de diciembre de 2013, el Morpheus Lander realizó con éxito el Vuelo Libre 4. La trayectoria planificada previamente se realizó sin problemas, aterrizando a 3,5 pulgadas de su objetivo previsto. Morfeo ascendió desde el suelo sobre la trinchera de llamas a una altitud de aproximadamente 164 pies ( 50 m ), después de una breve pausa a 82 pies ( 25 m ) para mantener las velocidades de ascenso objetivo. Luego, el vehículo voló hacia adelante, cubriendo aproximadamente 154 pies ( 47 m ) en 30 segundos , antes de descender y aterrizar en una plataforma de aterrizaje dedicada dentro del campo de peligro ALHAT. [89] [90]
- 2014
El 16 de enero de 2014, el Vuelo Libre 5 se realizó con éxito en las instalaciones de aterrizaje de lanzadera de KSC. El vehículo Bravo voló más alto y más rápido que en todos sus vuelos anteriores. La trayectoria planificada de antemano implicó ascender rápidamente a 57 m ( 187 pies ), atravesar 47 m ( 154 pies ) mientras descendía, y luego aterrizar aproximadamente a 11 pulgadas del objetivo previsto en el campo de peligro aproximadamente un minuto después del lanzamiento. [91] El 21 de enero de 2014 Bravo realizó el Vuelo Libre 6. En un vuelo que duró 64 segundos, el vehículo ascendió a 93 m (305 pies) y luego voló hacia delante 109 m (358 pies) en 25 segundos. Como estaba previsto, Bravo aterrizó en el Hazard Field, a 0,38 m ( 15 pulgadas ) del objetivo. La velocidad máxima de ascenso fue de 11,4 m / s ( 25,5 mph ). [92]
El 10 de febrero de 2014, el Vuelo Libre 7 se realizó en KSC. Bravo voló a 467 pies ( 142 m ) de altitud y luego atravesó 637 pies ( 194 m ) en 30 segundos antes de aterrizar en el campo de peligro. El vehículo voló su trayectoria planificada de antemano sin problemas, alcanzando una velocidad máxima de ascenso de 13 m / sy aterrizando en su objetivo previsto 74 segundos después del lanzamiento. [93] Los ingenieros afirman que la altitud durante las pruebas no es la parte importante, sino la experiencia de vuelo adquirida, incluidas todas las fases de las operaciones de verificación, carga en tierra, vuelo y recuperación. [8]
El 14 de febrero de 2014 y el 3 de marzo de 2014 se realizaron en KSC pruebas de fuego en caliente del sistema de control de balanceo (RCS) del módulo de aterrizaje utilizando una variedad de pulsos cortos y largos. [94] [95] El equipo de Morpheus multicéntrico completó con éxito el Vuelo Libre 8 en la Instalación de Aterrizaje del Transbordador (SLF) del Centro Espacial Kennedy (KSC) el miércoles 5 de marzo de 2014. El vehículo Bravo voló a una altitud de 467 pies (142 m) y luego atravesó 637 pies (194 m) en 36 segundos, incluido el desvío del rumbo en pleno vuelo, antes de aterrizar en el campo de peligro a 56 pies (17 m) de su objetivo original (simulando evitar el peligro). El vehículo alcanzó una velocidad máxima de ascenso de 13 m / sy aterrizó aproximadamente a 10 pulgadas de su objetivo previsto 79 segundos después del lanzamiento. [96]
El martes 11 de marzo de 2014, el equipo de Morpheus completó con éxito el Vuelo Libre 9 (FF9) en el KSC SLF. Este fue el vuelo más alto de Morfeo (177 m (581 pies), más alto que el VAB y el Monumento a Washington), el más rápido (13,4 m / s (30 mph) vertical y horizontal) y el más lejano (255 m (837 pies)) hasta la fecha. [36]
Durante el resto de marzo de 2014, el hardware ALHAT se insertó nuevamente, lo que permitió una prueba de anclaje exitosa del ensamblaje el 27 de marzo de 2014. La trayectoria de vuelo de la prueba Tether 34 fue similar a TT33 y TT29 con dos desplazamientos y una traslación de 3 m (9,8 pies) durante un ascenso de 3,25 m (10,7 pies). [97] El vuelo libre 10 (FF10) tuvo lugar el 2 de abril de 2014 con el ALHAT en modo de bucle abierto. El ALHAT tomó imágenes del Hazard Field y calculó las soluciones de navegación en tiempo real. Morfeo ascendió a una altitud máxima de aproximadamente 804 pies (245 m), luego voló hacia adelante y hacia abajo inicialmente en una senda de planeo de 30 grados, luego se estabilizó, cubriendo un total de aproximadamente 1334 pies (406.5 m) horizontalmente en 50 segundos mientras se desviaba hacia una ubicación del lugar de aterrizaje a 78 pies (23,8 m) de su objetivo inicial, antes de descender y aterrizar en una plataforma de aterrizaje dedicada en la parte delantera (sur) del Campo de Peligros ALHAT. El tiempo total de vuelo fue de ~ 96 segundos, el vuelo más largo hasta la fecha. [98] El vuelo libre 11 del 24 de abril de 2014 fue una repetición del vuelo libre 10 con algunos cambios en el ALHAT. [99] El 30 de abril de 2014, el Vuelo Libre 12 fue una repetición del FF10, pero el ALHAT eligió el lugar de aterrizaje. [100]
El 22 de mayo de 2014, en vuelo libre, el ALHAT determinó un lugar seguro en el campo de peligro, el lugar de aterrizaje y voló el módulo de aterrizaje hasta él. [101]
El equipo de Morpheus / ALHAT completó con éxito el vuelo libre 14 (FF14) en el KSC SLF el miércoles 28 de mayo de 2014, el vuelo libre número 12 de Bravo y el quinto vuelo libre de ALHAT, y el primer vuelo nocturno de la historia. Los datos iniciales indicaron el rendimiento nominal de todos los sistemas del vehículo. El sistema de detección de peligros ALHAT (HDS) funcionó bien, pero identificó un sitio seguro a solo 0,5 m (1,6 pies) fuera de los límites establecidos de manera conservadora alrededor del centro de la plataforma de aterrizaje. Luego, ALHAT condujo el vehículo en modo de circuito cerrado a lo largo de toda la aproximación, y el vehículo se hizo cargo de la navegación durante la fase de descenso de la trayectoria cuando ALHAT ya estaba navegando por estima. Si los límites de error de posición menos conservadores hubieran permitido a ALHAT continuar navegando hasta el aterrizaje, el vehículo aún habría aterrizado de manera segura en la plataforma.
El equipo superó algunos problemas previos al vuelo, incluido un encendido fallido debido a una temperatura no crítica que excedía su límite, que se corrigió para el segundo intento exitoso. [37]
El 19 de noviembre de 2014 probó el Morpheus Lander en KSC. El hardware ALHAT se ha mejorado con nuevas ópticas que permiten al Lidar Doppler de navegación medir con precisión la velocidad del vehículo en relación con el suelo. [42] La prueba se canceló debido a una falla en el sistema de control remoto. Hasta ahora, el motor se ha quemado durante un total de 1.134 segundos. [102] Tether Test 36 (TT36) en el KSC SLF el martes 2 de diciembre de 2014 fue una prueba de regresión. El vehículo Bravo siguió su trayectoria planificada de 40 segundos sin problemas, aunque se identificaron algunas discrepancias. Los datos se revisaron para evaluar estas anomalías y garantizar que el vehículo y los sistemas terrestres estuvieran listos para soportar una prueba de vuelo libre. [103]
El 15 de diciembre de 2014, el prototipo de módulo de aterrizaje se elevó a 800 pies sobre el extremo norte de la instalación de aterrizaje del transbordador en el Centro Espacial Kennedy en Florida en la prueba de vuelo libre No. 15. Durante la prueba de 97 segundos, ALHAT inspeccionó el campo de peligro para un aterrizaje seguro. sitios, luego guió el módulo de aterrizaje hacia adelante y hacia abajo hasta un aterrizaje exitoso. [1]
- Conclusión
A febrero de 2015[actualizar]se han completado las pruebas planificadas. El módulo de aterrizaje fue devuelto a JSC. [18] [104] La revisión del proyecto, incluidas las pruebas, se llevó a cabo el 12 de marzo de 2015. [2]
Equipos de prueba y operaciones terrestres
Además de las herramientas de ingeniería normales, se fabricaron o adquirieron varios elementos de equipo de prueba. Estos incluyen grúas envueltas en protección contra el calor y los escombros : p. 2 una atadura, un bungee para controlar la atadura : p. 7 y un absorbedor de energía. El absorbedor de energía era un tubo de metal relleno con un panal de aluminio a prueba de fuego. [40] : pág. 3
Se construyeron plataformas de aterrizaje y lanzamiento de hormigón. En el Centro Espacial Kennedy, se cavó una pequeña trinchera de llamas para lanzamientos desde tierra cerca del campo de peligro (construido para probar el ALHAT). Se instalaron cámaras y equipo de grabación. Computadoras y equipos de radiocomunicación utilizados. [40]
Se utilizaron carros para mover el módulo de aterrizaje, baterías y consumibles. Se emitieron ropa de seguridad y protección ocular contra LÁSER de Categoría IV. [57] [105]
En un día de prueba típico, el personal de operaciones en tierra trabaja unas 10 horas desde el lanzamiento hasta que Morpheus está de regreso en el hangar. Las diferentes partes del día son: Resumen de seguridad y lanzamiento del vehículo, Verificación previa al llenado, Carga de propulsor (oxígeno líquido y metano líquido), Verificación de fugas, Preparación final, Vuelo y Prueba posterior. Las actividades se dividen entre el Pad Crew y el Centro de control. Además de las baterías eléctricas del módulo de aterrizaje para energía terrestre, las grúas, las celdas de carga y los camiones cisterna propulsores deben trasladarse a las plataformas de lanzamiento. [57] \\
Colaboraciones
El Centro Espacial Johnson de la NASA colaboró con varias empresas, instalaciones académicas y otros centros de la NASA mientras construía y probaba los módulos de aterrizaje Morpheus prototipo Alpha y Bravo.
Para Morpheus y ALHAT, JSC tiene asociaciones con el Centro Espacial Kennedy (KSC) para pruebas de vuelo; Centro Espacial Stennis (SSC) para pruebas de motores; Marshall Space Flight Center (MSFC) por el desarrollo de motores y experiencia en módulos de aterrizaje; Goddard Space Flight Center (GSFC) para el desarrollo de software de vuelo central; y el Langley Research Center (LaRC) y el Jet Propulsion Laboratory (JPL) para el desarrollo de ALHAT. Las asociaciones comerciales con empresas como Jacobs Engineering, Armadillo Aerospace, Draper Labs y otras han aumentado el desarrollo y la operación de muchos aspectos del proyecto ". [106]
Zucrow Labs de la Universidad de Purdue ayudó en el diseño de un motor Morpheus temprano. Las pruebas se llevaron a cabo en Zucrow Labs en West Lafayette, Indiana en 2014, incluidos múltiples incendios exitosos del motor. Este trabajo se realizó bajo la dirección del Dr. William Anderson y múltiples estudiantes de maestría y doctorado. [107]
Problemas de salud y seguridad
Aunque la mezcla de bipropelente de oxígeno líquido / metano líquido es considerablemente más fácil y segura de manejar que la hidracina , los propulsores pueden incendiarse y los tanques de combustible criogénico y los Dewars pueden explotar. [105] [108]
Incidentes
- El 1 de junio de 2011, una prueba del módulo de aterrizaje Morpheus provocó un gran incendio de hierba en los terrenos del Centro Espacial Johnson . Un incidente menor: nadie resultó herido y el Lander estaba bien. [109] Posteriormente, se cavó un cortafuegos de 10 pies (3,0 m) de ancho alrededor del área de prueba para evitar la propagación de posibles incendios de césped. [110]
- El 9 de agosto de 2012, el módulo de aterrizaje se volcó, se estrelló, se incendió y explotó dos veces durante su prueba inicial de vuelo libre en el Centro Espacial Kennedy . [108] El fuego se extinguió después de que explotaran los tanques. Nadie resultó herido, pero el vehículo no se encontraba en condiciones de recuperación. [14] Después del accidente, se realizaron alrededor de 70 mejoras diferentes al diseño del vehículo y los sistemas terrestres, incluida la adición de instrumentación redundante y la mitigación del entorno vibroacústico de lanzamiento. [24] Se instalaron conectores de cable y acopladores de bus de grado militar en los vehículos de reemplazo, además de crear una zanja de llamas en la plataforma de lanzamiento para reducir la vibración. [59] Un artículo que actúa como informe de investigación se publicó en la conferencia del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica: SPACE 2013. [111]
Estado
El prototipo del sistema de propulsión de metano y oxígeno líquido (LOx / metano) de Morpheus demostró ventajas en cuanto a rendimiento, simplicidad, fiabilidad y reutilización. [112] LOx / Methane proporciona nuevas capacidades para usar propulsores que se fabrican en la superficie de Marte para el retorno de ascenso y para integrarse con sistemas de soporte vital y de energía. Se determinó que Lox / Metano es extensible a naves espaciales humanas para muchos elementos de transporte de una arquitectura de Marte. Los propulsores brindan ventajas significativas para un encendido confiable en un vacío espacial y para la seguridad o purga confiables de las naves espaciales. "A través de esta prueba, la NASA obtuvo el nivel 6 de nivel de preparación tecnológica (TRL) relacionado con la tecnología de aterrizaje planetario" [113]
Las demostraciones de vuelo del módulo de aterrizaje Morpheus llevaron a la propuesta de usar LOx / metano para una misión del Programa de Descubrimiento , denominada Experimento del Regolito de Envejecimiento Lunar (MARE) para aterrizar una carga útil científica para el Instituto de Investigación del Suroeste en la superficie lunar. [112] El módulo de aterrizaje de esta misión se llama NAVIS (Vehículo autónomo de la NASA para ciencia in situ). [114]
La tecnología desarrollada también se está aplicando al módulo de aterrizaje lunar Nova-C , [115] propuesto para aterrizar en la Luna a principios de 2022. [116]
Ver también
- Misión de infusión de propulsor verde
- CATALIZADOR Lunar
- Águila poderosa
- Nova-C
- Quad (cohete)
- Raptor (familia de motores de cohetes)
- VTVL
Notas
una. ^ El metano es un propulsor ecológico (es decir, no tóxico) que la NASA espera que reduzca los costos de transporte al fabricarse in situ ( ISRU ). Por ejemplo, la reacción Sabatier podría ser utilizado para convertir el dióxido de carbono (CO 2 ) que se encuentra en la atmósfera de Marte en metano, utilizando hidrógeno encontrado o transportado de hidrógeno de la Tierra, un catalizador, y una fuente de calor. El hidrógeno se puede fabricar a partir del hielo de agua, que se encuentra tanto en la Luna de la Tierra como en Marte. [8]
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enlaces externos
- Página de inicio del Proyecto Morfeo
- Página de inicio de la tecnología autónoma de aterrizaje y prevención de peligros (ALHAT)
- Panorámicas esféricas detalladas del vehículo, área de lanzamiento / aterrizaje y centro de control de lanzamiento