El Hold sincronizada posición de acoplamiento y reorientar Experimental satélite (esferas) son una serie de satélites miniaturizados desarrollados por MIT 's Laboratory sistemas espaciales para la NASA y militar de Estados Unidos, para ser utilizado como un bajo riesgo, extensible banco de pruebas para el desarrollo de la metrología , Algoritmos de vuelo en formación, encuentro , acoplamiento y autonomía que son críticos para futuras misiones espaciales que utilizan arquitectura distribuida de naves espaciales, como Terrestrial Planet Finder y Orbital Express . [1]
Cada satélite SPHERES es un poliedro de 18 lados , con una masa de aproximadamente 4,1 kg y un diámetro de aproximadamente 21 cm. Se pueden utilizar en la Estación Espacial Internacional así como en laboratorios terrestres, pero no en el vacío del espacio . Las unidades autónomas que funcionan con baterías pueden funcionar de forma semiautónoma, utilizando propulsores de gas frío a base de CO2 para el movimiento y una serie de balizas ultrasónicas para la orientación. Los satélites pueden comunicarse entre sí y con una estación de control de forma inalámbrica. Las funciones integradas de los satélites se pueden ampliar mediante un puerto de expansión. [2]
Desde 2006, tres unidades SPHERES se están utilizando en la Estación Espacial Internacional para una variedad de experimentos. El Programa Científico Invitado SPHERES permite a los científicos realizar nuevos experimentos científicos utilizando unidades SPHERES, y el Programa Zero Robotics permite a los estudiantes participar en competencias anuales que involucran el desarrollo de software para controlar unidades SPHERES. [3]
Se espera que el programa SPHERES continúe hasta 2017, y posiblemente más. [3]
El proyecto SPHERES condujo a un proyecto más nuevo llamado Astrobee . [4]
Desarrollo
El desarrollo inicial de SPHERES comenzó en 1999, por un equipo de estudiantes del Instituto de Tecnología de Massachusetts , como parte de un programa de ingeniería aeroespacial . El concepto del satélite se concibió cuando el profesor David Miller desafió a los estudiantes a desarrollar un dispositivo similar al control remoto de entrenamiento de combate visto en la película de 1977 Star Wars Episodio IV: Una nueva esperanza y más recientemente en Star Wars: Episodio II - El ataque del Clones . Se desarrollaron varios prototipos durante el transcurso del programa y se probaron en laboratorios terrestres, así como en vuelos parabólicos utilizando aviones de gravedad reducida de la NASA . [5]
Después del desarrollo inicial, el programa SPHERES fue asumido por el Laboratorio de Sistemas Espaciales del MIT. En colaboración con Aurora Flight Sciences , se perfeccionó el diseño y se construyeron seis satélites listos para volar, de los cuales tres se entregaron a la Estación Espacial Internacional. [5]
El proyecto SPHERES está financiado principalmente por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) . [2]
Especificaciones
Estructura y características físicas
Cada satélite SPHERES se asemeja a un poliedro de 18 lados . La estructura de aluminio del satélite está encerrada en una carcasa de plástico semitransparente. El caparazón es de color rojo, azul, naranja o negro, para facilitar la identificación. Los tres satélites de la Estación Espacial Internacional son rojo, azul y naranja. Cada unidad tiene un diámetro máximo de 22,9 cm y una masa de 4,16 kg incluidos los consumibles. [5] [6]
Procesamiento y comunicación
Un DSP C6701 de Texas Instruments que funciona a 167 MHz sirve como computadora a bordo. Software de vuelo y experimentar las instrucciones correspondientes están escritos en lenguaje de programación C . [1]
Los satélites pueden comunicarse entre sí mediante un enlace de radio de 916,5 MHz y 16 kbit / s. La comunicación con la estación de control (una computadora portátil) se realiza mediante un enlace de radio de 868,35 MHz, 16 kbit / s. [6] Los satélites SPHERES pueden conectarse a la red Wi-Fi a bordo de la Estación Espacial Internacional para tareas que requieren un mayor ancho de banda de datos. [2]
Los satélites SPHERES determinan su posición y actitud mediante el uso de 23 receptores ultrasónicos integrados (Murata MA40S4R) y 5 balizas de referencia ultrasónicas externas. Las mediciones ultrasónicas del tiempo de vuelo de las balizas externas a los receptores a bordo se utilizan para calcular la posición del satélite con respecto al marco de referencia externo. [1]
Para una determinación rápida de la posición, la información ultrasónica del tiempo de vuelo se complementa con los datos de acelerómetros integrados (3 acelerómetros de un solo eje Honeywell QA-750) y giroscopios (3 giroscopios de velocidad de un solo eje Systron Donner QRS14). [1]
Potencia y actuación
Los satélites SPHERES se alimentan mediante dos paquetes de baterías de 12v no recargables. Cada paquete de baterías consta de ocho celdas de batería AA de 1,5 V que se sueldan por puntos en serie. [2]
Los satélites pueden traducirse en el entorno de microgravedad con 6 grados de libertad , utilizando doce propulsores de gas frío que utilizan CO2 líquido como propulsor. El CO2 líquido se almacena en un pequeño recipiente a bordo, similar a los que se utilizan en las pistolas de paintball . El CO2 se convierte en un estado gaseoso antes de ser expulsado a través de los propulsores para propulsión. El empuje deseado se logra mediante la modulación de impulsos de los solenoides de empuje. [1]
La aceleración lineal máxima de los satélites es de 0,17 m / s2, con una precisión de 0,5 cm. La aceleración angular máxima es de 3,5 rad / s2, con una precisión de 2,5 grados. [7]
Instalaciones de prueba y soporte
El programa SPHERES utiliza instalaciones de apoyo ubicadas en el Centro de Investigación Ames de la NASA .
Laboratorio 3 DoF
El laboratorio de 3 DoF facilita la prueba simultánea de hasta tres satélites SPHERES en una superficie de granito plana y casi sin fricción. Los satélites están montados en carros de aire, soportes que expulsan una corriente de CO2 para crear un colchón de aire, lo que permite que las unidades se trasladen en los ejes X e Y y giren en el eje Z. [8]
Instalación de prueba de microgravedad (MGTF)
La instalación de prueba de microgravedad (MGTF) facilita la prueba de un solo satélite móvil SPHERES, utilizando seis grados de libertad. En esto, la unidad está sujeta por un cardán con 3 DoF, que está suspendido de una grúa de traducción con 3 DoF. El laboratorio puede proporcionar un marco de referencia de navegación en una configuración similar a la de la Estación Espacial Internacional utilizando cinco balizas ultrasónicas, y se analiza la salida de los propulsores de gas frío para simular el movimiento esperado en un entorno de microgravedad. [8] [9]
Laboratorio de montaje de vuelo
El Laboratorio de Montaje de Vuelo se utiliza para preparar y probar los consumibles (paquetes de baterías y contenedores de CO2 líquido) utilizados por las unidades SPHERES.
Las celdas individuales de los paquetes de baterías se prueban, se sueldan por puntos en serie y se vuelven a probar como un paquete. Los paquetes de baterías se desechan después de su uso.
Los contenedores de CO2 gastados se devuelven al Laboratorio de Montaje de Vuelo para volver a llenarlos y realizar pruebas de seguridad antes de regresar a la Estación Espacial Internacional. [8]
Entrega a la Estación Espacial Internacional
La entrega de los satélites SPHERES a la Estación Espacial Internacional se planeó originalmente para 2003. Sin embargo, debido a la pérdida del Transbordador Espacial Columbia en febrero de 2003, la entrega no tuvo lugar hasta 2006. [1]
La primera unidad SPHERES fue entregada a la ISS por la misión de reabastecimiento no tripulada Progress M-56 (ISS-21P) durante abril de 2006. La segunda unidad fue entregada por la misión del transbordador espacial STS-121 en julio de 2006. La unidad final fue entregada por el Misión del transbordador espacial STS-116 en diciembre de 2006. [10]
El experimento SPHERES a bordo de la Estación Espacial Internacional comenzó el 18 de mayo de 2006. [5]
Experimentos
SmartSPHERES
El experimento SmartSPHERES equipó los tres satélites SPHERES a bordo de la Estación Espacial Internacional con teléfonos inteligentes Nexus S que se entregaron a través de la misión del transbordador espacial STS-135 . Cada satélite se mejoró mediante el uso de potencia de procesamiento, redes inalámbricas, cámara, sensores y la pantalla sensible al tacto del teléfono inteligente conectado. La disponibilidad del código fuente del sistema operativo Android permitió que los dispositivos se usaran como computadoras compactas, de bajo costo y de bajo consumo. [11] [12]
El experimento estudia el uso de los satélites SPHERES para realizar estudios ambientales y de inventario autónomos y operados a distancia a bordo de la Estación Espacial, con el objetivo de reducir el tiempo que el astronauta dedica a tareas rutinarias. El conocimiento adquirido también ayudará al desarrollo de futuros vehículos espaciales que podrían realizar actividades extravehiculares y ayudar a los astronautas con sus tareas. [11]
El experimento SmartSPHERES es administrado por el Grupo de Robótica Inteligente del Centro de Investigación Ames con fondos del programa de Demostración y Desarrollo Tecnológico Habilitante de la Dirección de Misiones de Sistemas de Exploración de la NASA. [11]
ESFERAS-VERTIGO
El experimento SPHERES-VERTIGO (SPHERES-Visual Estimation and Relative Tracking for Inspection of Generic Objects) tiene como objetivo desarrollar software y hardware que puedan generar mapas tridimensionales de objetos cooperativos o no cooperativos utilizando visión por computadora , y navegar en relación con dichos objetos únicamente por referencia a los mapas generados. [13]
Como parte del experimento, se desarrollan y prueban nuevos algoritmos de localización y mapeo simultáneos (SLAM). [13]
Para facilitar el experimento SPHERES-VERTIGO, cada satélite SPHERES a bordo de la ISS está equipado con un "goggle" adicional, un dispositivo conectado a SPHERES mediante el puerto de expansión, y lleva una cámara estéreo, sensores ultrasónicos, una computadora de placa única, alta -Instalaciones de comunicación de alta velocidad y baterías. [13]
Las tecnologías desarrolladas se utilizarán en futuros vehículos espaciales autónomos que pueden operar solos o en grupos para mapear asteroides , inspeccionar satélites que caen o desorbitar desechos espaciales . [13]
El experimento es parte del programa de Experimentos de Investigación Integrada SPHERES (InSPIRE), financiado por DARPA . [13]
DOD ESFERAS-ANILLOS
El experimento DOD SPHERES-RINGS ( Departamento de Defensa SPHERES-Sistema de generación de campo cercano inductivo resonante) tiene como objetivo desarrollar software y hardware capaz de vuelo de formación electromagnética (EMFF) y transferencia de energía inalámbrica en un entorno de microgravedad. [14]
El experimento utiliza dos ensamblajes de hardware conectados a satélites SPHERES, que consisten en bobinas resonantes de aluminio , carcasa de bobina con ventiladores, electrónica y baterías. [14]
Las unidades SPHERES individuales se maniobran unas con respecto a otras generando fuerzas controladas de atracción, repulsión y cortante utilizando bobinas electromagnéticas. Las mismas bobinas se utilizan para transferir energía de forma inalámbrica entre satélites SPHERES mediante acoplamiento inductivo resonante . Los algoritmos de software que evitan la colisión entre satélites también se desarrollan como parte del experimento. [14]
El conocimiento adquirido a través del experimento ayudará al desarrollo de vehículos espaciales agrupados libres de propulsores y plumas, aumentará su vida útil, reducirá la masa de las naves espaciales y los riesgos operativos asociados. [14]
ESFERAS-Slosh
Artículo: SPHERES-Slosh
Uso en educación
Robotica cero
Zero Robotics es una competencia internacional anual realizada por el MIT, donde los equipos de estudiantes participantes programan los satélites SPHERES para resolver un desafío específico. La competencia se lleva a cabo en dos niveles; el torneo de la escuela secundaria y el torneo de la escuela secundaria. [15]
Las rondas iniciales de la competición se llevan a cabo mediante simulaciones. Los programas de los finalistas se cargan en los satélites SPHERES a bordo de la Estación Espacial Internacional y son ejecutados por astronautas. El evento se retransmite en directo al MIT, Europa y Australia. [15]
Ver también
- AERCam Sprint
- Inteligencia artificial
- Entorno micro-g
- Robótica
- Vuelo de formación electromagnética
- Investigación científica sobre la Estación Espacial Internacional
- Robot esférico
Referencias
- ^ a b c d e f "El programa de científicos invitados SPHERES" (PDF) . Consultado el 9 de enero de 2016 .
- ^ a b c d Kanis, Simeon. "FAQ ESFERAS" . NASA . Consultado el 9 de enero de 2016 .
- ^ a b Kanis, Simeon. "La Historia de las ESFERAS" . NASA . Consultado el 9 de enero de 2016 .
- ^ Ackerman, Evan (9 de febrero de 2017). "Cómo el robot Astrobee de la NASA está aportando una autonomía útil a la ISS" . ESPECTRO IEEE . Consultado el 13 de marzo de 2018 .
- ^ a b c d "Acerca de las ESFERAS" . ssl.mit.edu . Consultado el 9 de enero de 2016 .
- ^ a b "Hoja de datos de esferas" (PDF) . Consultado el 1 de enero de 2016 .
- ^ Kanis, Simeon. "Satélites SPHERES" . NASA . Consultado el 9 de enero de 2016 .
- ^ a b c Kanis, Simeon. "Instalaciones SPHERES en NASA AMES" . NASA . Consultado el 9 de enero de 2016 .
- ^ "NASA - Instalación de prueba de microgravedad" . www.nasa.gov . Consultado el 9 de enero de 2016 .
- ^ "Kit de prensa STS-116" (PDF) . Consultado el 13 de enero de 2016 .
- ^ a b c Administrador, NASA. "Satélite impulsado por teléfono inteligente de la NASA" . NASA . Consultado el 10 de enero de 2016 .
- ^ Rainey, Kristine. "Las ESFERAS inteligentes están a punto de volverse mucho más inteligentes" . NASA . Consultado el 10 de enero de 2016 .
- ^ a b c d e "NASA - Posición sincronizada, Mantener, Enganchar, Reorientar, Satélites experimentales - VERTIGO" . www.nasa.gov . Consultado el 11 de enero de 2016 .
- ^ a b c d "NASA - Departamento de Defensa posición sincronizada, mantener, participar, reorientar, satélites experimentales-ANILLOS" . www.nasa.gov . Consultado el 11 de enero de 2016 .
- ^ a b "¿Qué es Zero Robotics?" . zerorobotics.mit.edu . Consultado el 31 de enero de 2016 .
enlaces externos
- Sitio web de SPHERES en NASA.gov
- Sitio web de SPHERES en MIT.edu
- Sesiones de prueba SPHERES
- Página de ESFERAS en MIT.edu
- Laboratorio de sistemas espaciales del MIT
- Ciencias de vuelo de Aurora
- "Los aerodeslizadores de combate de sable de luz de la Estación Espacial se actualizarán" en The Register