Tecnologia Científica

Ensinando novos truques a uma velha nave espacial para continuar a explorar a lua
Na primavera de 2018, a Miniature Inertial Measurement Unit (MIMU), um sensor crítico usado para ajudar a apontar os instrumentos da espaçonave, foi desligada para preservar sua vida restante após apresentar sinais de declínio
Por Bill Steigerwaldbill Steigerwald - 11/02/2021


Um exemplo da capacidade do LRO de olhar para o lado, ou girar, é esta imagem do pico central da cratera Tycho. O complexo do pico central tem cerca de 15 quilômetros (cerca de 9,3 milhas) de largura de sudeste a noroeste (da esquerda para a direita nesta imagem). Créditos: NASA / GSFC / Arizona State University

A espaçonave Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) da NASA excedeu em muito a duração da missão planejada, revelando que a Lua guarda surpresas: depósitos de gelo que poderiam ser usados ​​para apoiar a exploração lunar futura, os lugares mais frios do sistema solar em regiões permanentemente sombreadas nos pólos lunares , e que é um mundo ativo que está encolhendo, gerando terremotos e mudando diante de nossos olhos. LRO mapeou a superfície em detalhes requintados, retornando milhões de imagens de uma paisagem lunar totalmente bela e pavimentando o caminho para futuras missões humanas sob o programa Artemis da NASA.

Na primavera de 2018, a Miniature Inertial Measurement Unit (MIMU), um sensor crítico usado para ajudar a apontar os instrumentos da espaçonave, foi desligada para preservar sua vida restante após apresentar sinais de declínio devido ao envelhecimento natural no ambiente hostil do espaço. O MIMU é como um velocímetro. Ele mede a velocidade de rotação do LRO. Sem ele, o LRO foi forçado a confiar apenas nos dados de rastreadores de estrelas - câmeras de vídeo com software de processamento de imagem que infere a orientação com base em mapas de estrelas - para apontar e reorientar a espaçonave. "Isso limitou a capacidade de reorientar (matar) a espaçonave para fins científicos", disse Julie Halverson, engenheira de sistemas líder em operações de missões em ciências espaciais no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland.

"Reorientar a espaçonave para obter dados de visão lateral é valioso para os cientistas, pois nos permite medir como a luz reflete na Lua de forma diferente, dependendo da visão do instrumento", disse Noah Petro, Cientista do Projeto para LRO da NASA Goddard. "Isso é chamado de fotometria da superfície. Além disso, a câmera tira imagens de visão lateral para construir imagens 3-D da superfície e para coletar as vistas em perspectiva da Lua que ajudam a desemaranhar as relações geológicas." Para fazer o LRO girar novamente, os engenheiros da NASA desenvolveram um novo algoritmo que pode estimar a velocidade de rotação do LRO ao fundir medições do rastreador de estrelas com outras informações disponíveis no computador de voo do LRO.

Para que o novo velocímetro da LRO funcione corretamente, os rastreadores de estrelas precisam manter uma visão desobstruída das estrelas, que pode ser bloqueada pela Terra ou Lua, ou pelo brilho do sol. Caso contrário, é impossível determinar a orientação ou estimar a velocidade de rotação da espaçonave. Garantir que os rastreadores de estrelas estejam sempre desobstruídos durante as manobras científicas tornou muitas observações científicas que poderiam ser facilmente feitas com o MIMU impossíveis de serem realizadas sem ele. Para recuperar essas oportunidades perdidas, Goddard, o Engineering Safety Center (NESC) da NASA e a Naval Postgraduate School (NPS) em Monterey, Califórnia, se uniram mais uma vez em sua longa história de pesquisa cooperativa para desenvolver rapidamente uma coleção de métodos novos e revolucionários para permitir que o LRO continue explorando a Lua em sua capacidade máxima.
 
"O algoritmo que desenvolvemos para LRO é chamado Fast Maneuvering ou 'FastMan' e funciona em conjunto com o controlador baseado em star-tracker da LRO", disse Mark Karpenko, professor associado de pesquisa da NPS e líder do projeto FastMan. "As manobras desviam naturalmente de objetos brilhantes, assim como evitar obstáculos em um carro que dirige sozinho." Um algoritmo de computador é um conjunto de instruções para processar dados. Karpenko foi capaz de construir o FastMan usando ferramentas de software baseadas nas mesmas ferramentas usadas anteriormente por uma equipe da NASA-NPS para reorientar a Estação Espacial Internacional combinando forças do ambiente espacial com seus giroscópios em vez de queimar combustível disparando seus propulsores . Esta "Manobra Zero Propelente" é semelhante a uma manobra de virada usada na vela.

"O Lunar Reconnaissance Orbiter passa por frequentes mudanças especiais ao orbitar a Lua e nossa capacidade de agendar essas mudanças é limitada pelo tempo que leva para realizá-las", disse John Keller, cientista de projeto adjunto para LRO da NASA Goddard. Com o FastMan, LRO foi capaz de realizar quase 200 giros adicionais que não poderiam ter sido realizados de outra forma.

"Na verdade, a maioria das melhorias de desempenho que alcançamos até agora foram usando os resultados do FastMan para criar o que chamamos de manobra de 'táxi'", disse Karpenko. Como o FastMan completo exigia mudanças no software de voo do LRO, Karpenko projetou a manobra do táxi para atingir a maioria dos objetivos do FastMan, sem exigir modificações no software de voo. "Infelizmente, até que pudéssemos atualizar o software de vôo, eu tinha que estar por dentro", disse Karpenko. A manobra FastMan completa é totalmente autônoma.

A primeira reviravolta do FastMan foi conduzida em órbita no final de julho de 2020 e permitiu que a Câmera LRO, um dos sete instrumentos científicos da LRO, obtivesse uma imagem lateral da cratera Triesnecker 25 por cento mais rápido do que uma rotação de táxi teria permitido. Com esses novos algoritmos, o LRO é novamente capaz de olhar rapidamente para o lado, e a espaçonave está em boas condições, com todos os instrumentos ainda coletando dados. “A LRO está agora no 11º ano do que originalmente era esperado ser uma missão de dois anos”, disse Petro. "Monitoramos regularmente todos os sistemas LRO em busca de sinais de degradação ou alteração. O combustível pode ser nosso fator limitante da taxa, as estimativas atuais nos colocam em termos de pelo menos mais cinco anos de combustível a bordo, se não mais."

Em 2010, NPS, NESC e Goddard fizeram parceria para implementar as primeiras manobras de reorientação de tempo mínimo já realizadas em órbita. Este trabalho inovador foi feito como uma demonstração de voo de fim de vida na espaçonave TRACE. Hoje, a comunidade científica lunar é a beneficiária deste trabalho pioneiro. "Os algoritmos giratórios desenvolvidos pelo NPS já permitiram que o LRO coletasse mais ciência", explicou Neil Dennehy, pesquisador técnico da NASA para orientação, navegação e controle. "Espero que no futuro nossos parceiros da indústria também sejam capazes de alavancar essa tecnologia."

 

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