Les ingénieurs du Naval Center for Space Technology (NCST) du US Naval Research Laboratory (NRL) ont récemment terminé les tests au niveau des composants de la charge utile robotique pour le programme Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites (RSGS) de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).
Une fois en orbite, le véhicule d’entretien robotique RSGS inspectera et entretiendra les satellites en orbite terrestre géosynchrone (GEO), où des centaines de satellites assurent les communications, la surveillance météorologique, soutiennent les missions de sécurité nationale et d’autres fonctions vitales.
Le programme RSGS est un partenariat public-privé entre la DARPA et la filiale SpaceLogistics de Northrop Grumman, NRL développant la charge utile de service robotique.
« Ce partenariat offrira des capacités de service révolutionnaires aux utilisateurs commerciaux et gouvernementaux pour les diagnostics visuels, les mises à niveau, l’ajustement de l’orbite et les réparations de satellites », a déclaré Bernie Kelm, surintendant de la division d’ingénierie des engins spatiaux, NCST. « En tant que développeur de charges utiles robotiques, nous avons conçu cet ensemble innovant de matériel et de logiciels de vol spatial qui fera progresser les capacités nationales en matière d’entretien des satellites. »
La charge utile RSGS comprend des composants matériels de vol, des algorithmes de contrôle robotique, plusieurs conceptions électroniques hautement personnalisées et un logiciel de vol fonctionnant sur cinq ordinateurs monocarte. NRL a également spécifié et acheté deux bras robotiques habiles à sept degrés de liberté, les équipant d’électronique de commande, de caméras, de lumières et d’un changeur d’outils robotique.
De plus, NRL a développé l’outil robotique pour saisir les satellites des clients via leur interface de lanceur standard et s’est procuré un autre outil pour capturer les éléments de réapprovisionnement compatibles avec la norme de conception Payload Orbital Delivery (POD) de la DARPA.
Crédit : Laboratoire de recherche navale
« Notre équipe diversifiée d’ingénieurs NCST a concentré ses efforts sur la charge utile robotique du programme RSGS au cours des sept dernières années », a déclaré William Vincent, responsable du programme RSGS de NRL. « La charge utile robotique est l’un des développements de charge utile les plus compliqués jamais réalisés par NRL. »
Les ingénieurs de NRL ont développé plusieurs avioniques de puissance et de contrôle fonctionnant sur un réseau SpaceWire distribué pour prendre en charge une mission de longue durée pour contrôler tous les capteurs et actionneurs de manière robuste et redondante. NRL a acheté des caméras panchromatiques et couleur, ainsi que la conception d’unités d’éclairage à LED pour fournir une connaissance de la situation pendant les activités robotiques.
« Notre équipe d’algorithmes a développé des algorithmes de vision artificielle, de contrôle de position, d’évitement de collision et de contrôle de conformité qui prennent en charge le contrôle robotique et permettent des capacités de grappin autonomes », a déclaré Vincent. « Les algorithmes sont implémentés dans un logiciel de vol qui fournit également toutes les fonctionnalités de commande et de contrôle pour la charge utile et fournit des interfaces de contrôle au bus de l’engin spatial. »
Les mouvements robotiques nécessitent une planification spéciale pour assurer la sécurité des opérations des engins spatiaux. NRL a développé la station de travail robotique intégrée (IRW) pour y parvenir. L’IRW soutient la planification de mission pour le développement de nouvelles activités de mission. Une fois qu’une mission est planifiée, l’IRW prend en charge les activités de filtrage pour présélectionner toutes les commandes de mouvement robotique dans un simulateur de charge utile afin de vérifier les charges de commande avant qu’elles ne soient envoyées.
Enfin, à l’aide du logiciel de contrôle au sol Neptune de NRL, l’IRW commande toutes les activités de charge utile robotique et affiche et tend la télémétrie de la charge utile pendant les opérations. Pour exécuter cet effort, une équipe d’ingénierie système qualifiée a passé des années à effectuer des analyses système, à documenter les exigences et les interfaces et à générer un plan de vérification et de validation robuste.
« Les ingénieurs ont travaillé en étroite collaboration avec les équipes d’intégration et de test pour s’assurer que le système répond à toutes les exigences lorsqu’il est réuni pour les tests au niveau des composants, des sous-systèmes et de la charge utile », a déclaré Vincent. « Une fois terminée, la charge utile robotique permettra le large éventail de missions envisagées et les missions futures non encore imaginées. »
L’équipe RSGS a récemment terminé les tests environnementaux du premier des deux systèmes de bras robotique de vol. Cela comprenait la simulation de l’environnement de lancement dans le laboratoire de vibration de NRL, la simulation des plages de vide et de températures extrêmes de l’espace dans la chambre à vide thermique (TVAC) de NRL et la garantie de la fonctionnalité d’interférence électromagnétique (EMI) dans les tests de chambre EMI.
Au cours des tests TVAC, le système de bras robotique a démontré des performances sur des températures représentant les conditions réelles en orbite. Dans les conditions difficiles de température et de vide de l’espace, le bras du robot a effectué diverses opérations, notamment l’exécution de mouvements d’étalonnage robotiques pré-planifiés, l’actionnement d’outils et les fonctions de caméra et d’éclairage.
Le deuxième système de bras robotique est intégré à un banc d’essai séparé qui contient toute la suite avionique de vol. Il passe actuellement par des tests de performance de mouvement.
Cet automne, le deuxième système de bras terminera les essais environnementaux. Des tests de performances robotiques pour démontrer et vérifier la fonction des algorithmes robotiques sont en cours dans le banc d’essai robotique (RTB) du laboratoire de robotique spatiale de NRL. Le RTB consiste en une version non spatiale du système de bras robotique de vol et du matériel avionique exécutant le logiciel de vol. Ce banc d’essai robotique haute fidélité permet la vérification au sol de nombreuses caractéristiques de performance robotique au niveau du système pour la charge utile RSGS.
La caractérisation de l’algorithme de contrôle de la conformité et la caractérisation des performances de l’algorithme Marman Ring Detector sont terminées. Des tests de dynamique de contact dans le RTB sont en cours, qui utilisent un traîneau flottant sur une fine couche d’air pour simuler le bras contactant des véhicules spatiaux clients dont la masse varie de 75 à 3 000 kg (165 à 6 613 livres). Des tests de grappin, d’articulation et de libération sont prévus plus tard cet été.
L’équipe du logiciel de vol se prépare à commencer les tests de qualification. Les tests ont lieu dans un banc d’essai logiciel avec une simulation dynamique en temps réel qui génère des entrées de pose de bras de robot simulées pour les algorithmes de contrôle robotique et des images dynamiques pour les entrées dans les algorithmes de vision artificielle. Ce banc d’essai permet à l’équipe NRL de tester les algorithmes de vol avec des boucles de contrôle réalistes pour vérifier complètement le système avant le lancement.
« Les efforts d’ingénierie et de vérification des systèmes requis par RSGS sont considérables », a déclaré Amy Hurley, ingénieur principal des systèmes de NRL. « C’est incroyable de voir des années d’ingénierie système et un solide plan de vérification et de validation se combiner avec succès. »