Felsextraktion und Roboterarmmechanismen für die Asteroid Redirect Mission der NASA beginnen mit strengen Tests bei NASA Goddard
NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER, MD – Es haben strenge Tests an den fortschrittlichen Roboterarm- und Felsextraktionsmechanismen begonnen, die Schlüsselkomponenten der unbemannten Sonde im Herzen der NASA-Mission Asteroid Redirect Robotic Mission (ARRM) sind, die sich derzeit in der Entwicklung befindet, um eine Multitonne zu reißen bouldern a erdnaher Asteroid so dass Astronauten zu Besuch später in einem Orion-Crew Kapsel kann eine große Menge an Proben für eine leistungsstarke wissenschaftliche Analyse zurückgewinnen auf der Erde . Universe Today inspizierte die Roboterarm-Hardware mit „Leveraged Robotic Technology“ bei einem Besuch und einem exklusiven Interview mit dem Engineering-Entwicklungsteam von NASA Goddard.
„Die Teams machen große Fortschritte beim Erfassungsmechanismus, der dem Robotik-Team bei . geliefert wurde Goddard von Langley“, sagte Robert Lightfoot, Associate Administrator der NASA, gegenüber Universe Today.
„Die NASA entwickelt diese gemeinsamen Technologien für eine Reihe von Missionen wie die Wartung und Betankung von Satelliten.“ in niedriger Erdumlaufbahn sowie autonomes Erfassen eines Asteroid etwa 100 Millionen Meilen entfernt“, sagte Ben Reed, stellvertretender Projektmanager des NASA Satellite Servicing Capabilities Office (SSCO), während eines exklusiven Interviews und einer Hardware-Tour mit Universe Today bei NASA Goddard in Greenbelt, Maryland, zu Konzepten und Zielen für die gesamte Asteroid Redirect Missionsinitiative (ARM).
Die NASA nutzt eine Technologie, die ursprünglich für die Satellitenwartung entwickelt wurde, wie derzeit bei der Robotic Refueling Mission (RRM) an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) und umfunktionieren sie für die Asteroid Rückholmission.
„Das sind unsere beiden kurzfristigen Missionsziele, für die wir diese Technologien entwickeln“, erklärte Reed.
ARRM kombiniert Roboter und menschliche Missionen um die neuen Technologien voranzutreiben, die für NASAs agenturweite „Reise nach“ März ’ Ziel des Sendens eine menschliche Mission zu der Marsmensch System in den 2030er Jahren.
Die unbemannte Asteroid Redirect Robotic Mission (ARRM) zum Greifen eines Felsbrockens ist der wesentliche erste Schritt zur Durchführung der anschließenden Probengewinnung mit dem bemannten Orion Asteroid Redirect Mission (ARM) bis Mitte der 2020er Jahre.
ARRM wird zwei hochleistungsfähige Roboterarme verwenden, um autonom einen mehrere Tonnen schweren (> 20 Tonnen) Felsbrocken von der Oberfläche eines großen erdnahen Asteroiden zu greifen und ihn zu einem stabilen, Astronaut zugänglicher Orbit um der Mond im cislunaren Raum.
„Die Dinge laufen gut. Die Teams haben beim Roboterarm und beim Fangmechanismus wirklich enorme Fortschritte gemacht“, sagte Bill Gerstenmaier, Associate Administrator der NASA für Human Exploration and Operations, gegenüber Universe Today.
Dann kann eine Orion-Crew-Kapsel dorthin fliegen und die Astronauten werden eine große Menge an Gesteinsproben sammeln und zusätzliche wissenschaftliche Messungen durchführen.
„Wir arbeiten an einem System, um verschiedene [Ziel-]Kunden mit denselben Technologien zu treffen, zu erfassen und zu bedienen. Daran arbeiten wir in einer Nussschale“, sagte Reed.
Diese Konstruktionseinheit des Roboterwartungsarms befindet sich in der Entwicklung, um für die Asteroidenrettungsmission der NASA autonom einen Felsbrocken von einem Asteroiden zu extrahieren und wird bei NASA Goddard getestet. Es hat sieben Freiheitsgrade und ahmt einen menschlichen Arm nach. Bildnachweis: Ken Kremer/kenkremer.com
„Derzeit ist geplant, ARRM bis etwa Dezember 2020 auf den Markt zu bringen“, sagte mir Reed. Um den Plan der NASA in die Realität umzusetzen, ist jedoch in den USA eine enorme Vorbereitungsarbeit erforderlich.
Schlüsseltechnologien für die Mission werden derzeit mit einem neuen technischen Modell in Originalgröße des „Roboterwartungsarms“ und einem großmaßstäblichen Modell des ARRM-Erfassungsmoduls zum Auffangen von Felsbrocken bei NASA Goddard in einer neuen Einrichtung namens „The Cauldron“ getestet.
Erfassungsmodul bestehend aus zwei Roboterarmen und drei Boulder-Grappling-Kontakt- und Rückhaltesystembeinen für die Asteroid Redirect Robotic Mission (ARRM) der NASA. Bildnachweis: NASA
Das ARRM-Erfassungsmodul besteht aus zwei kürzeren Roboterarmen (um 180 Grad getrennt) und drei langen Kontakt- und Rückhaltesystem-Erfassungsbeinen (um 120 Grad getrennt), die an einer Halterung mit zugehöriger Avionik, Computern und Elektronik und dem Rest des Raumfahrzeugs befestigt sind, und Solarstrom-Arrays.„Der Roboterarm, den wir jetzt hier haben, ist eine technische Entwicklungseinheit. Zur Montage können die 2,2 Meter langen Arme verwendet werden große Teleskope , einen ausgefallenen Satelliten reparieren, Orbitaltrümmer entfernen und einen Asteroiden einfangen“, sagte Reed.
'Es gibt zwei kleine Arme und drei große Fangbeine.'
„Also nutzen wir ein Technologieentwicklungsprogramm für mehrere NASA-Ziele.“
„Wir arbeiten an gemeinsamen Technologien, die einen alten umlaufenden Satelliten bedienen können, der nicht dafür ausgelegt ist, gewartet zu werden, und verwenden dieselben Technologien mit einigen Optimierungen, sodass wir mit 100 Millionen Meilen weit hinausgehen und einen Asteroiden einfangen und in die Nähe von zurückbringen können der Mond.'
„Derzeit kann das [Capture Module]-System einen Boulder mit einem Durchmesser von bis zu 3 x 4 x 5 Metern verarbeiten.“
Künstlerkonzept der Asteroid Redirect Robotic Mission der NASA, die einen Asteroidenblock einfängt, bevor er in eine für Astronauten zugängliche Umlaufbahn um den Erdmond umgeleitet wird. Credits: NASA
Der Cauldron ist eine brandneue Goddard-Einrichtung zum Testen von Technologien und Operationen für mehrere Explorations- und Wissenschaftsmissionen, einschließlich Satellitenservice und ARRM, die gerade im Juni 2015 für das Satellite Servicing Capabilities Office des Zentrums eröffnet wurde.
Gesamtprojektleitung für ARRM ist das Jet Propulsion Laboratory (JPL) mit zahlreichen Beiträgen anderer NASA-Zentren und Industriepartner.
„Dies ist ein immersives Entwicklungslabor, in dem wir Systeme zusammenbringen und Lebensdauertests durchführen können, um zu simulieren, was sich im Weltraum befindet. Dies ist unser robotisches Äquivalent zum Astronauten-NBL oder neutralen Auftriebslabor“, erläutert Reed.
„Mit demselben Roboterarm, der Drähte und Wärmedecken durchtrennen und einen Erdmesssatelliten auftanken kann, können wir jetzt denselben Arm für eine andere Mission einsetzen und in der Lage sein, hinauszugehen und einen mehrtonnenschweren Felsbrocken aufzuheben und mitzubringen.“ es zurück für Astronauten, um Proben zu entnehmen.“
„Das ist also eine technische Meisterleistung!“
Der Robotic Servicing Arm ist ein mehrgelenkiges Kraftpaket, das so weit wie möglich wie ein „menschlicher Arm“ funktioniert. Es baut auf umfangreichen früheren Forschungs- und Entwicklungsinvestitionen auf, die für die aktuellen NASA-Projekte durchgeführt wurden roter Planet Rover und ein flugqualifizierter Roboterarm, der für die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) entwickelt wurde.
„Der Arm verfügt über sieben Freiheitsgrade, um die volle Funktionalität eines menschlichen Arms nachzuahmen. Es hat Erbe aus dem Arm auf dem Mars im Augenblick auf Neugier sowie bodengestützte Programme von DARPA“, erzählte mir Reed.
„Es hat drei Freiheitsgrade an unserer Schulter, zwei am Ellbogen und zwei weitere am Handgelenk. So kann ich die Hand ruhig halten und den Ellbogen bewegen.“
Der Arm wird auch mit einer Vielzahl von austauschbaren „Händen“ ausgestattet sein, die im Grunde genommen Werkzeuge sind, um verschiedene Aufgaben mit dem Asteroiden auszuführen, wie zum Beispiel Greifen, Bohren, Probensammeln, Bildgebung und spektrometrische Analyse usw.
Blick auf den Roboterarm oben und das Greifwerkzeug unten, das zunächst den Asteroidenblock greift, bevor sich die Fangbeine wie geplant für die bevorstehende unbemannte ARRM Asteroid Redirect Robotic Mission der NASA umwickeln, die später an ein Orion-Besatzungsfahrzeug andocken wird. Bildnachweis: Ken Kremer/kenkremer.com
Die ARRM-Raumsonde wird den Asteroiden etwa einen Monat lang sorgfältig untersuchen, charakterisieren und bis ins kleinste Detail fotografieren, bevor sie den Felsblock einfängt.
Warum braucht der Arm all diese menschenähnlichen Fähigkeiten?
„Wenn wir auf einem 100 Millionen Meilen entfernten Asteroiden ankommen, werden wir die feine lokale Geometrie erst bei unserer Ankunft kennen“, erklärte Reed gegenüber Universe Today.
„Deshalb brauchen wir einen ausreichend flexiblen Arm, der lokale Geometrien im Multi-Fuß-Maßstab aufnehmen kann. Und dann ein Greifwerkzeug, das diese Geometriefacetten in einem viel kleineren Maßstab verarbeiten kann.“
„Deshalb haben wir sieben Freiheitsgrade gewählt, um den Menschen ganz bewusst nachzuahmen. Wir brauchen auch sieben Freiheitsgrade, um Kollisionsvermeidungsmanöver durchzuführen. Das ist mit einem Arm mit sechs Freiheitsgraden nicht möglich. Es müssen sieben sein, um ein Allzweckarm zu sein.“
Wie funktioniert das ARRM-Capture-Modul, um den Felsbrocken vom Asteroiden zu reißen?
„Die Idee ist also, dass Sie zum Mutter-Asteroiden kommen, aufsetzen und Kontakt mit der Oberfläche herstellen. Dann hältst du diese Position und die beiden Arme greifen nach dem Felsbrocken.“
'Sobald er den Felsbrocken gepackt hat, strecken sich die Beine und ziehen den Felsbrocken von der Oberfläche.'
„Dann schmiegen die Arme den Asteroiden an eine Wiege. Und die Beine verwandeln sich dann von einem Kontaktsystem in ein Rückhaltesystem. Also wickeln sich die Beine um den Felsbrocken, um ihn für die 100 Millionen Meilen lange Heimreise zurückzuhalten.
„Danach können die Ärmchen loslassen – denn die Beine haben sich umschlungen und halten den Asteroiden.“
„So kann der Arm jetzt auch das Greifersystem loslassen und ein anderes Werkzeug aufnehmen, um andere Dinge zu erledigen. Sie können beispielsweise mit einem anderen Tool eine Probe sammeln. Und vielleicht einem Astronauten helfen, nachdem die Crew eingetroffen ist.“
„Während der 100 Millionen Meilen langen Reise zurück in die Mondumlaufbahn können sie auch die Oberfläche vorbereiten und in sie für die spätere Probensammlung durch die Astronauten schneiden.“
Sehen Sie sich unbedingt diese Videoanimation an:
Da die eigentliche Asteroidenbegegnung sehr weit entfernt stattfinden wird, muss das Boulder-Grappling völlig autonom erfolgen, da es keine Möglichkeit für Echtzeitkommunikation gibt.
„Die Rückkehrzeit für die Kommunikation beträgt etwa 30 Minuten. Eine „Human-in-the-Loop“-Steuerung kommt also nicht in Frage.
„Sobald wir die Schwebeposition über dem Landeplatz erreicht haben, drücken wir die GO-Taste. Dann wird es ganz ähnlich wie auf dem Mars und den sieben Minuten des Schreckens. Es wird eine Weile dauern, um herauszufinden, ob es funktioniert hat.'
Daher hat das Team von Goddard bereits jahrelange Anstrengungen und Übungssitzungen aufgewendet, um sich auf die Arbeit mit der frühen technischen Version des Arms vorzubereiten, um die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Fangs zu maximieren.
„In dieser Einrichtung stellen wir Systeme zusammen, um so viel wie möglich von der Mission zu üben und zu proben und zu simulieren.“
„Es war sehr aufwendig, bis zu diesem Punkt zu gelangen, in etwa vier Jahren, damit sich die Simulation in Echtzeit mit der Kontaktdynamik und den Robotersystemen korrekt verhält. Der Arm muss also den Felsblock mit Kraft-Drehmoment-Sensoren berühren und dies in einen Computer einspeisen, um dies zu messen und die Aktoren zu bewegen, um entsprechend zu reagieren.“
„Das Erfassen des Felsbrockens ist also autonom. Der Rest wird vom Boden aus teleoperiert, aber nicht die Erfassung selbst.“
Wie realistisch sind die Proben?
„Wir üben hier, indem wir mit dem Arm ausstrecken, um das Ziel des Klienten durch autonome Erfassung [Verfahren] zu greifen. Im Weltraum schwebt der Client [Ziel] und taumelt vielleicht. Wenn wir also den Arm ausstrecken, um die autonome Erfassung zu üben, bringen wir den Klienten zum Taumeln und Bewegen – mit den Trägheitseigenschaften des Ziels, an dem wir üben.“
„Für bekannte Objekte wie Satelliten kennen wir jetzt die Masse genau. Und wir können all diese Trägheitseigenschaftsdaten sehr genau programmieren, um uns viel realistischere Simulationen zu ermöglichen.“
„Wir haben aus all unseren Erfahrungen bei der Astronautenwartung im Orbit gelernt, dass je mehr wir für die Simulationen wissen, desto einfacher und besser sind die Ergebnisse für die Astronauten während einer tatsächlichen Mission, da Sie alle Eigenschaften simuliert haben.“
„Aber bei dieser Robotermission zu einem Asteroiden gibt es kein Backup wie bei Astronauten. Deshalb wollen wir hier bei Goddard üben und die Weltraumumgebung simulieren.“
ARRM wird bis Ende 2020 entweder auf einem SLS, Delta IV Heavy oder einem Falcon Heavy starten. Die NASA hat die Trägerrakete noch nicht ausgewählt.
Mehrere Asteroidenkandidaten wurden bereits entdeckt und die NASA hat ein umfangreiches Programm, um weitere zu finden.
Die Orion-Crew-Kapsel dockt an das Asteroiden-Umleitungsfahrzeug der NASA an, das gefangene Asteroidenfelsen festhält, die den Mond umkreisen. Bildnachweis: NASA
Auch hier wurde diese Robotertechnologie für die Entwicklung von ARRM ausgewählt, da sie viele Gemeinsamkeiten mit anderen Zielen wie der Befestigung von Kommunikationssatelliten, dem Auftanken von Satelliten und dem Bau großer Teleskope in der Zukunft hat.
Die NASA entwickelt auch andere kritische Basistechnologien für das gesamte ARM-Projekt wie den solarelektrischen Antrieb, die Gegenstand eines weiteren Artikels sein werden.
Daher nutzt die NASA ein Technologieentwicklungsprogramm für mehrere Raumfahrtziele, die ihre Pläne, in den 2030er Jahren mit dem Orion-Crew-Modul, das von der Monsterrakete Space Launch System (SLS) gestartet wird, „Menschen zum Mars“ zu schicken, erheblich unterstützen wird.
Der erste unbemannte Start des Orion/SLS-Stacks ist für November 2018 geplant.
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Im Robotiklabor der NASA Goddard diskutieren Ben Reed/NASA Satellite Servicing Capabilities Office (SSCO) Deputy Project Manager und Ken Kremer/Universe Today den Roboter-Wartungsarm und den Mechanismus zum Einfangen von Asteroidenblöcken, die für die bevorstehende unbemannte ARRM Asteroid Redirect Robotic Mission der NASA getestet werden ein Orion-Besatzungsfahrzeug in der Mondumlaufbahn bis Mitte der 2020er Jahre für die Probenrückgabe. Bildnachweis: Ken Kremer/kenkremer.com
