Wie wird DART in der Lage sein, einen 170 Meter hohen Felstotpunkt mit über 6000 m/s zu treffen? Welche Technologien werden zum Einsatz kommen und wie werden sie zusammenarbeiten?

Didymos wird zum Zeitpunkt des Einschlags von DART etwa 11 Millionen Kilometer (6,8 Millionen Meilen) von der Erde entfernt sein. Die Hin- und Rücklaufzeit für ein Funksignal von DART zum Kontrollzentrum auf der Erde beträgt etwa 73 Sekunden. Die Aufprallgeschwindigkeit auf Didymos wird etwa 6,6 km/s betragen, nach 73 Sekunden ist DART 484 km näher an seinem Ziel.

DART sollte also in der letzten Stunde vor dem Aufprall autonom navigieren. Das einzige Instrument von DART ist die Kamera DRACO (Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical Navigation).

DRACO ist ein hochauflösender Imager, der von der LORRI-Kamera von New Horizons abgeleitet wurde, um die Navigation und Zielerfassung zu unterstützen, die Größe und Form des Asteroidenziels zu messen und die Einschlagstelle und den geologischen Kontext zu bestimmen. DRACO ist ein Engwinkelteleskop mit 208 Millimeter Öffnung und einem Sichtfeld von 0,29 Grad. Es verfügt über einen CMOS-Detektor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) und einen ausgeklügelten integrierten Bildprozessor, um die relative Position von Dimorphos zu bestimmen und SMART Nav zu unterstützen.

Als Teil von Führung, Navigation und Steuerung (GNC) hat das DART-Team Algorithmen namens SMART Nav (Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation) entwickelt. Dieses autonome optische Navigationssystem wird die beiden Körper bei Didymos identifizieren und zwischen ihnen unterscheiden und dann in Zusammenarbeit mit den anderen GNC-Elementen das Raumschiff innerhalb von etwa einer Stunde nach dem Aufprall auf den kleineren Körper Dimorphos lenken. Um mithilfe von Bordsystemen genau zum Asteroiden zu navigieren, nutzt das DART-Team jahrzehntelange Raketenführungsalgorithmen, die bei APL entwickelt wurden.

Die Gesamtmasse des DART-Raumfahrzeugs beträgt ungefähr 1.345 Pfund (610 Kilogramm) beim Start und 1.210 Pfund (550 Kilogramm) beim Aufprall. DART transportiert sowohl Hydrazin-Treibmittel (etwa 110 Pfund oder 50 Kilogramm) für Raumfahrzeugmanöver und Lagekontrolle als auch Xenon (etwa 130 Pfund oder 60 Kilogramm) für den Betrieb des Demonstrationstriebwerks der Ionenantriebstechnologie. Das Raumfahrzeug wird höchstens 22 Pfund (10 Kilogramm) Xenon verbrauchen.

Daher werden in der letzten Stunde vor dem Einschlag autonome optische Navigation und mehr als 50 Jahre Erfahrung mit Raketenführungsalgorithmen genutzt, um einen 170 Meter hohen Felsen in seiner Mitte zu treffen. Für schnelle Flugbahn- und Lagekorrekturen können die Hydrazin-Triebwerke verwendet werden.

Während der 10-monatigen Reise nach Didymos kann der Ionenmotor von der Bodenkontrolle verwendet werden, um die Flugbahn zu optimieren.

Quelle

Ich arbeite nicht für die NASA, daher weiß ich nicht genau, welchen Algorithmus DART für seine Terminalführung verwenden wird. Aber ich weiß, dass es nicht besonders kompliziert sein muss.

DART verfügt über eine hochauflösende Engwinkelkamera, die (sobald sie sich innerhalb weniger Stunden oder Tage nach dem Aufprall befindet) sowohl ihr Ziel, Dimorphos, als auch Hintergrundsterne sehen kann. Die wichtigste Beobachtung ist, dass Sie sich auf Kollisionskurs befinden, wenn sich das Zentrum Ihres Ziels nicht relativ zu den Sternen bewegt (oder direkt davon wegfliegen – aber das ist unter den gegebenen Umständen kein wahrscheinlicher Fehler).

Natürlich ist die obige Beobachtung nur dann genau richtig, wenn Sie und das Ziel sich in einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, was in diesem Fall nicht ganz stimmt. Aber die Umlaufzeit von Dimorphos um Didymos beträgt etwa 12 Stunden, also könnte er sich auf Zeitskalen von weniger als einer Stunde genauso gut in einer geraden Linie bewegen.

Meine Vermutung ist also, dass DART zunächst einer vorberechneten Schnittbahn mit Didymos und Dimorphos folgen wird, die die NASA auf der Grundlage von Beobachtungen sowohl von der Erde als auch von der Sonde selbst nach und nach verfeinern wird. Es ist möglich, dass diese nicht autonomen Kurskorrekturen allein ausreichen, um DART auf Kollisionskurs mit Dimorphos zu bringen, da Flugbahnen im Weltraum sehr vorhersehbar sind. Aber ich bin mir auch ziemlich sicher, dass sich die NASA nicht allein darauf verlassen wird.

Sobald DART nahe genug bei Dimorphos ist, um es zu sehen, schalten sie stattdessen den automatischen Führungsalgorithmus ein. Natürlich werden sie zunächst sein Verhalten von der Erde aus überwachen, vielleicht sogar anfangs im "Trockenlauf" -Modus laufen lassen, wo es nur meldet, was es sieht und welche Lenkkorrekturen es vorgenommen hätte. Aber schließlich, wenn DART dem Aufprall näher kommt und die Lichtgeschwindigkeitsverzögerung es unpraktisch macht, es von der Erde aus zu führen, werden sie es den Algorithmus für die letzten paar Stunden oder so einfach autonom steuern lassen.

Es ist möglich (und ziemlich wahrscheinlich), dass der Führungsalgorithmus von DART einen Korrekturterm für die Krümmung der Umlaufbahn von Dimorphos enthält, aber das ist nur ein zusätzlicher Schliff – ein naiver Verfolgungsalgorithmus, der die Sonde nur so steuert, dass das Ziel stationär gegen die Sterne bleibt, sollte dazu in der Lage sein die letzten paar Minuten gut zu erledigen, vielleicht etwas mehr Manövrierkraftstoff als nötig zu verbrauchen.

Der Führungsalgorithmus selbst wird wahrscheinlich auch Kálmán-Filter und andere ähnliche Tools der Steuerungstheorie verwenden, um verrauschte Eingaben, ungenaue Steuerausgaben usw. zu kompensieren. Dies muss auch nicht unbedingt besonders kompliziert sein – selbst eine einfache alte PID-Schleife sollte ausreichen der Job – aber da dies ein teures Gerät ist, das von der NASA entwickelt wurde, bin ich sicher, dass sie die besten und schicksten verfügbaren Algorithmen verwenden werden.

Das heißt, ich glaube nicht, dass das Schreiben eines einfachen kOS- Skripts zum Ausführen einer vergleichbaren Führungsaufgabe im Kerbal Space Program viel Zeit in Anspruch nehmen würde – vielleicht weniger als das Schreiben dieser Antwort. Ich könnte es versuchen, obwohl ich KSP derzeit nicht auf diesem Computer installiert habe. Der zeitaufwändigste Teil wäre tatsächlich wahrscheinlich, die Eingaben auf das zu beschränken, was für DART realistisch verfügbar ist, und den Steuerungsausgaben etwas Rauschen hinzuzufügen, um realistisch zu sein.

Der einzige Fehlermodus, den Sie vermeiden möchten, ist natürlich, in letzter Minute größere Kurskorrekturen vornehmen zu müssen und dafür keinen Treibstoff (oder keine Zeit mehr) zu haben. Das lässt sich aber ganz einfach vermeiden, indem man möglichst früh möglichst kleine und präzise Kurskorrekturen vornimmt und auf den Determinismus der Orbitalmechanik vertraut.

Meiner Meinung nach gibt es hier zwei verschiedene Fragen. Die erste ist, wohin Sie zielen müssen, und die andere, wie genau Sie es tun können.

Wohin man zielen muss, ist ähnlich wie beim Schießen einer Waffe auf ein sich bewegendes Ziel. Das Ziel sollte nicht dort sein, wo sich das Ziel jetzt befindet, sondern dort, wo es sein wird, wenn das Projektil das Ziel erreicht.

Mittels bodengestützter Beobachtung ist es möglich, über einen langen Zeitraum eine außerordentliche Genauigkeit in den Gleichungen zu schaffen, die die Bewegung des Paares aus Asteroid und seinem Mond beschreiben. Und auch hier können Sie mit bodengestützten Geräten ein hohes Maß an Präzision der Bewegung des Satelliten erreichen.

Durch die zeitliche Extrapolation anhand der Gleichungen lässt sich genau beschreiben, wohin der Bewegungsvektor des Satelliten zeigen soll – und nicht dorthin, wo sich der Asteroid gerade befindet.

Ich denke, Sie würden den Satelliten weit entfernt vom Asteroiden in Richtung des "Leitstern"-Trackers ausrichten und nicht unbedingt sogar in die Nähe des Asteroiden zeigen. Von der Erde aus messend könnte man dann Korrekturen senden, die der Satellit vornimmt.

In der Nähe des Asteroiden könnten Korrekturen autonom vom Satelliten durchgeführt werden. Es wird zu diesem Zeitpunkt nur Delta zur Verfügung stehen, um kleine Korrekturen vorzunehmen – der Satellit muss bereits genau am Ziel sein. Meine Vermutung wäre, den Winkel zwischen dem Asteroiden und einigen ausgewählten Leitsternen zu messen und vielleicht, wenn der kleine Mond zu sehen ist, diese Winkel zusammen mit der Zeit in die Gleichungen einzugeben, um eine Korrektur zu berechnen und dann Triebwerke zu verwenden. Dies muss rechtzeitig erfolgen, um tatsächlich Wirkung zu zeigen.

Nun zum Präzisionsteil. Bodengestützte Messungen können sehr genau durchgeführt werden. Und die Teleskopkamera auf dem Satelliten hat eine sehr hohe Auflösung, die es ihm ermöglicht, mit genug Präzision zu "sehen", um eine hohe Wahrscheinlichkeit zu erreichen, tatsächlich den Mond zu treffen.

Da Dimorphos eine Umlaufzeit von 11,9 Stunden hat, wird er sich in der letzten Flugstunde des Satelliten um etwa 30 Grad um Didymos bewegen.