Mechatronics
.docMechatronics + NASA = New Lunar Rover
Every year, for two weeks in the Arizona desert at Black Point Lava Flow, NASA’s Desert Research and Technology Studies group (Desert RATS) conducts technology development tests in anticipation of lunar exploration. Teams of engineers and geologists from several NASA laboratories as well as a variety of private and academic partners participated in this year’s test, including two key members from ASU’s School of Earth and Space Exploration.
New for this year was an intensive simulated mission during which two crew members, an astronaut and a geologist, lived for more than 300 hours inside NASA’s new lunar wheels, the Lunar Electric Rover (LER). The explorers scouted the area for features of geological interest then donned spacesuits and conducted simulated moonwalks to collect samples. The crew also docked to a simulated habitat, drove the rover across difficult terrain, performed a rescue mission and made a four-day traverse across the rough landscape.
“We are continuously working to meet the challenges of a human outpost on the moon,” says James Rice, faculty research associate in the school and principal investigator of one of the study’s geology traverses. “To meet these challenges, scientists and engineers must conduct hands-on field tests and research here on earth to better prepare and understand the complex challenges that will be encountered on the moon.”
Analogs are conducted to test robotics, vehicles, habitats and in-situ resource utilization in realistic environments that will aid astronauts, engineers and scientists as they define ways to combine human and robotic efforts to enhance scientific exploration. The Arizona desert is well suited for testing technologies and procedures for future human-robotic exploration in extreme environments.
“You have to test hardware and concepts in a real-world environment with real geology, slopes, rocks, dust … and the unexpected,” Rice says. “It can’t be done in a controlled laboratory. The terrain of Black Point Lava Flow contains challenging topography for LER operations and also contains lunar and Mars analog geomorphology and geology.”
Rice was in charge of making traverse routes or paths that the rover and crew followed during the simulation. He had to factor in science objectives, rover driving speed, time for the crew to put on and take off spacesuits before and after geology investigations, and the time required to drive to the next station.
“We had a very detailed timeline from Mission Control that we had to work with to make sure we achieved our science goals,” says Rice, who has been involved with the field tests for about six years. “Sometimes we had issues with loss of communications, equipment or the rover and this caused the whole operation to get behind on the timeline. It was very realistic.”
Kip Hodges, founding director of the school in ASU’s College of Liberal Arts and Sciences, and science team member of Desert RATS, has been involved with this year’s tests on a number of levels. He was the principal scientist of the K10 robot, which was developed at NASA’s Ames Research Center and deployed prior to the simulated mission to identify areas of interest for the crew, and he served in the science “backroom” for the LER human tests.
“The K10 robot was employed in these tests in order to evaluate the added value of robotic reconnaissance of a planetary landscape prior to sending humans into the field for scientific research,” says Hodges. “While the final field test results are not yet in, I think that my collaborators and I are extremely pleased with the exercise and looking forward to further tests. For example, we are also using K10 for follow-up work after human exploration. In that case, our analogue study site is in a bit farther afield: the high Arctic of Canada. Perhaps we’ll also deploy K10 for this purpose next year at the Desert RATS tests.”
New wheels for a new generation of exploration
LER, the next-generation rover, is an all-electric vehicle with 12 wheels. A little bigger than a Humvee, the LER was built for extreme exploration. The frame of this mobile base camp was developed in conjunction with an off-road race truck team, making it able to travel hundreds of kilometers over rugged terrain. Its wheels can move sideways in a “crabbing” motion, one of many features that make it skilled at scrambling over rocks. During the mission, LER was able to climb slopes on the lava flow that the team’s SUV chase vehicles couldn’t handle. Remarkably, the advanced suspension and drivetrain of the LER allows it to perform such feats using only 20 horsepower, an order of magnitude less than the standard off-road vehicles.
If that isn’t enough to make the Apollo-era astronauts envious, LER is also capable of housing two astronauts for up to two weeks with sleeping and sanitary facilities. It is equipped with a time- and space-saving concept called suit ports, designed to allow astronauts to quickly enter and exit their EVA suits via a rear-entry hatch.
Мехатроника + НАСА = Новый луноход
Каждый год, в течение двух недель в аризонской пустыне в Black Point Lava Flow, группа по исследованию пустынь и технологических исследовани НАСА («Пустынные крысы») проводит испытания по развитию технологии в ожидании освоения Луны. Команды инженеров и геологов из нескольких лабораторий НАСА, а также различные частные и академические партнёры, приняли участие в испытании в этом году, в том числе два ключевых члена из школы Земли и освоения космоса ASU.
Новинкой этого года было интенсивное смоделированное задание, в ходе которого два члена экипажа, астронавт и геолог, провели более трёхсот часов внутри нового аппарата НАСА, электрического лунохода LER. Исследователи изучали область на предмет геологического интереса, затем погрузились в скафандры и провели моделирование прогулки по луне для сбора образцов. Экипаж также состыковался с моделируемой средой обитания, провёл луноход по труднопроходимой местности, осуществил спасательную миссию и совершил четырёхдневный проход по грубому ландшафту.
"Мы постоянно работаем над решением задачи о человеческом форпосте на Луне", говорит Джеймс Райс, научный сотрудник факультета в школе и главный исследователь одного из геологических прохождений в разработке. "Для решения этих задач ученые и инженеры должны проводить практические полевые испытания и исследования здесь, на Земле, чтобы лучше подготовиться и понять сложные проблемы, которые будут встречаться на Луне".
Моделирующие системы применяются для проверки робототехники, транспортных средств, мест обитания и утилизации ресурсов на месте в реальных средах, которые помогут космонавтам, инженерам и учёным в определении способов объединения усилий человека и роботов для усиления научных исследований. Пустыня Аризоны отлично подходит для тестирования технологий и процедур для последующего робото-человеческой разведки в экстремальных условиях.
"Вы должны проверять оборудование и концепции в реальной среде с реальной геологией, склонами, скалами, пылью... и неожиданностями", говорит Райс. "Это не может быть выполнено в подконтрольных лабораторных условиях. Рельеф Black Point Lava Flow имеет сложную топографию для операций LER, а также имеет геоморфологию и геологию, аналогичеые Луне и Марсу".
Райс был ответственным за проходимость маршрутов или путей, которым луноход и экипаж следуют в процессе моделирования. Он должен был управлять в научных целях, скоростью движения лунохода, временем для экипажа на облачение и снятие скафандров до и после геологических исследований, и временем, необходимым, чтобы добраться до следующей станции.
"У нас был очень подробный график от контрольного управления, с которым нам приходилось работать, чтобы убедиться, что мы достигли наших научных целей", говорит Райс, которая занимается полевыми испытаниями в течение почти шести лет."Иногда у нас были проблемы с потерей связи, оборудованием или луноходом, и это отбрасывало всю операцию назад по графику. Это было очень реалистично".
Кип Ходжес, основатель и директор школы в колледже свободных искусств и наук ASU, и член научной команды Крысы Пустыни, был связан с испытаниями в этом году на нескольких уровнях. Он был главным ученым робота К10, который был разработан в исследовательском центре НАСА в Эймс и развернут до смоделированной миссии для выявления областей, представляющих интерес для экипажа, и он «стоял за научными кулисами» человеческих испытаний LER.
"Робот К10 был использован в этих испытаниях с целью оценки добавленной стоимости роботизированной разведки планетарного пейзажа перед отправкой людей в поле для научных исследований", говорит Ходжес. "Хотя окончательные результаты полевых испытаний пока не объявлены, я думаю, что мои сотрудники и я очень довольны этим упражнением и с нетерпением ждём дальнейших испытаний. Например, мы также используем K10 для последующей работы после освоения человеком. В этом случае, местонахождение нашего аналогового исследования находится в несколько дальнем зарубежье — высокой арктической части Канады. Возможно, мы также развернём K10 для этой цели в следующем году в испытаниях Крыс Пустыни.
Новые «колёса» для следующего поколения разработок
LER, луноход нового поколения представляет собой 12-колёсный автомобиль с полной электрической оснасткой. Немного больше, чем Humvee, LER был построен для экстремальной разведки. Рама этого мобильного лагеря была разработана совместно с командой по созданию грузовиков, участвующих в гонках по бездорожью, что делает его доступным для передвижения на сотни километров по пересечённой местности. Его колеса могут двигаться в сторону как «крабы», одна из многих особенностей, которые делают его умелым при необходимости взобраться по камням. В ходе миссии, LER был в состоянии подняться на склоны лавового потока, с чем SUV-автомобили команды не могли справиться. Примечательно, что продвинутые подвеска и трансмиссия LER позволяют ему выполнять такие подвиги, используя всего 20 лошадиных сил, что на порядок меньше, чем стандартные внедорожники.
Если этого недостаточно, чтобы вызвать зависть у астронавтов эпохи «Аполлона», LER также способен вместить двух космонавтов на срок до двух недель со сном и санузлом. Он оснащен концепцией сохранения времени и места под названием «костюмные порты», которая предназначена для астронавтов, чтобы быстро входить и выходить из их EVA костюмов через люк заднего входа.