Ingenieure des Naval Center for Space Technology (NCST) des US Naval Research Laboratory (NRL) haben kürzlich Tests auf Ebene von Roboternutzlastkomponenten für das Programm Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites (RSGS) der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) abgeschlossen.
Sobald das Roboterwartungsfahrzeug RSGS im Orbit ist, wird es Satelliten im geosynchronen Erdorbit (GEO) inspizieren und warten, wo Hunderte von Satelliten für Kommunikation, Wetterüberwachung, Unterstützung nationaler Sicherheitsmissionen und andere wichtige Funktionen sorgen.
Das RSGS-Programm ist eine öffentlich-private Partnerschaft zwischen DARPA und der SpaceLogistics-Tochtergesellschaft von Northrop Grumman, wobei NRL die Roboterwartungsnutzlast entwickelt.
„Diese Partnerschaft wird kommerziellen und staatlichen Nutzern revolutionäre Wartungsmöglichkeiten für visuelle Diagnosen, Upgrades, Orbitanpassungen und Satellitenreparaturen ermöglichen“, sagte Bernie Kelm, Superintendent der Spacecraft Engineering Division, NCST. „Als Entwickler von Roboternutzlasten haben wir dieses innovative Set aus Hardware und Software für die Raumfahrt entwickelt, das die nationalen Fähigkeiten in der Satellitenwartung vorantreiben wird.“
Die RSGS-Nutzlast umfasst Flughardwarekomponenten, Robotersteuerungsalgorithmen, mehrere hochgradig kundenspezifische Elektronikdesigns und Flugsoftware, die auf fünf Einplatinencomputern ausgeführt werden. NRL spezifizierte und beschaffte auch zwei geschickte Roboterarme mit sieben Freiheitsgraden und rüstete sie mit Steuerelektronik, Kameras, Beleuchtung und einem Roboter-Werkzeugwechsler aus.
Darüber hinaus entwickelte NRL das Roboterwerkzeug, um Kundensatelliten über ihre Standard-Trägerraketenschnittstelle zu greifen, und beschaffte ein weiteres Werkzeug, um Nachschubelemente zu erfassen, die mit dem Designstandard Payload Orbital Delivery (POD) von DARPA kompatibel sind.
Kredit: Naval Research Laboratory
„Unser vielfältiges Team von NCST-Ingenieuren hat seine Bemühungen in den letzten sieben Jahren auf die Roboternutzlast für das RSGS-Programm konzentriert“, sagte William Vincent, RSGS-Programmmanager des NRL. „Die Robotic Payload ist eine der kompliziertesten Nutzlastentwicklungen von NRL aller Zeiten.“
NRL-Ingenieure entwickelten mehrere Stromversorgungs- und Steuerungs-Avioniksysteme, die auf einem verteilten SpaceWire-Netzwerk laufen, um eine Mission mit längerer Dauer zu unterstützen und alle Sensoren und Aktuatoren robust und redundant zu steuern. NRL beschaffte panchromatische und Farbkameras und entwarf LED-Beleuchtungseinheiten, um bei Roboteraktivitäten ein Situationsbewusstsein zu schaffen.
„Unser Algorithmenteam hat Algorithmen für maschinelles Sehen, Positionskontrolle, Kollisionsvermeidung und Compliance-Kontrolle entwickelt, die die Robotersteuerung unterstützen und autonome Greiffähigkeiten ermöglichen“, sagte Vincent. „Die Algorithmen sind in Flugsoftware implementiert, die auch die gesamte Befehls- und Kontrollfunktionalität für die Nutzlast bereitstellt und Steuerschnittstellen zum Bus des Raumfahrzeugs bereitstellt.“
Roboterbewegungen erfordern eine spezielle Planung, um einen sicheren Betrieb von Raumfahrzeugen zu gewährleisten. NRL hat die Integrated Robotic Workstation (IRW) entwickelt, um genau das zu erreichen. Das IRW unterstützt die Missionsplanung für die Entwicklung neuer Missionsaktivitäten. Sobald eine Mission geplant ist, unterstützt das IRW Screening-Aktivitäten, um alle Roboterbewegungsbefehle in einem Nutzlastsimulator vorzuprüfen, um die Befehlslasten zu überprüfen, bevor sie gesendet werden.
Schließlich steuert das IRW unter Verwendung der Neptune-Bodensteuerungssoftware von NRL alle Roboter-Nutzlastaktivitäten und zeigt und zeigt die Nutzlast-Telemetrie während des Betriebs an. Um diese Bemühungen durchzuführen, hat ein erfahrenes Systems-Engineering-Team Jahre damit verbracht, Systemanalysen durchzuführen, Anforderungen und Schnittstellen zu dokumentieren und einen robusten Verifizierungs- und Validierungsplan zu erstellen.
„Die Ingenieure haben eng mit den Integrations- und Testteams zusammengearbeitet, um sicherzustellen, dass das System alle Anforderungen erfüllt, wenn es für Tests auf Komponenten-, Subsystem- und Nutzlastebene zusammenkommt“, sagte Vincent. „Sobald die Roboter-Nutzlast fertig ist, wird sie die breite Palette an geplanten und zukünftigen Missionen ermöglichen, die noch nicht vorstellbar sind.“
Das RSGS-Team hat kürzlich Umwelttests des ersten von zwei Flugroboterarmsystemen abgeschlossen. Dazu gehörte die Simulation der Startumgebung im Vibrationslabor des NRL, die Simulation sowohl des Vakuums als auch der extremen Temperaturbereiche des Weltraums in der thermischen Vakuumkammer (TVAC) des NRL und die Sicherstellung der elektromagnetischen Interferenz (EMI)-Funktionalität bei den EMI-Kammertests.
Während der TVAC-Tests demonstrierte das Roboterarmsystem seine Leistung bei Temperaturen, die den tatsächlichen Bedingungen im Orbit entsprechen. Unter den rauen Temperatur- und Vakuumbedingungen des Weltraums führte der Roboterarm eine Vielzahl von Operationen durch, darunter die Ausführung vorgeplanter Roboterkalibrierungsbewegungen, Werkzeugbetätigung sowie Kamera- und Lichtfunktionen.
Das zweite Roboterarmsystem ist in ein separates Testbed integriert, das über die gesamte Flugavionik-Suite verfügt. Es durchläuft derzeit Bewegungsleistungstests.
In diesem Herbst wird das zweite Armsystem die Umwelttests abschließen. Im Robotics Testbed (RTB) des NRL Space Robotics Laboratory werden Roboterleistungstests durchgeführt, um die Funktion von Roboteralgorithmen zu demonstrieren und zu verifizieren. Das RTB besteht aus einer Nicht-Raumflugversion des Flugroboterarmsystems und Avionikhardware, auf der Flugsoftware ausgeführt wird. Dieses High-Fidelity-Robotik-Testbed ermöglicht die Bodenverifizierung vieler robotischer Leistungsmerkmale auf Systemebene für die RSGS-Nutzlast.
Die Charakterisierung des Compliance-Control-Algorithmus und die Leistungscharakterisierung des Marman-Ring-Detektoralgorithmus wurden abgeschlossen. Kontaktdynamiktests im RTB sind im Gange, bei denen ein auf einer dünnen Luftschicht schwebender Schlitten verwendet wird, um den Arm zu simulieren, der Kundenraumfahrzeuge mit einer Masse von 75 bis 3.000 kg (165 bis 6.613 lbs.) berührt. Grapple-, Articulation- und Release-Tests sind noch in diesem Sommer geplant.
Das Flugsoftware-Team bereitet den Start der Qualifikationstests vor. Das Testen findet in einem Software-Testbed mit einer dynamischen Echtzeitsimulation statt, die simulierte Roboterarmhaltungseingaben für die Robotersteuerungsalgorithmen und dynamische Bilder zur Eingabe in Bildverarbeitungsalgorithmen generiert. Diese Testumgebung ermöglicht es dem NRL-Team, die Flugalgorithmen mit realistischen Regelkreisen zu testen, um das System vor dem Start gründlich zu verifizieren.
„Die von RSGS geforderten Systementwicklungs- und Überprüfungsbemühungen sind umfangreich“, sagte Amy Hurley, Lead Systems Engineer von NRL. „Es ist erstaunlich zu sehen, wie jahrelanges System-Engineering und ein starker Verifizierungs- und Validierungsplan erfolgreich zusammenkommen.“