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数量:11 (2)DOI: 10.37532 / 2319 - 9822.2022.11 .199 (2)

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GN&C架构的研究为机器人和Human-Rated飞船

*通信:

菲利普·沃尔特主编,《太空探索,联合王国;电子邮件:walter.F@gmail.com

文摘

介绍

NASA和私营企业目前规划和建设安全运输人类宇宙飞船低地球轨道。这些活动建立在几十年的human-rated和驾驶飞船发展和经验教训,以及建立为美国宇航局的火星之旅和人类探索太阳系。人类系统集成的系统级学科(HSI)和指导、导航与控制(GN&C)实现安全、高效和成功的飞行员控制这些复杂的车辆。理解的经验教训、最佳实践和未来的机遇和挑战与人类相关性能和与制导和控制系统、驾驶舱技术和飞行系统的驾驶宇宙飞船从人为因素和性能的角度来看是一个关键的推动者,以确保这些飞船可以实现勘探目标。这个错综复杂的设计和开发人类飞行员和GN&C系统之间的相互作用是一个高度集成的过程。所有飞行阶段的交易之间的系统架构,任务设计,汽车设计,人机界面与GN&C系统必须仔细考虑。性能、处理品质、人工交互,影响其他系统和子系统都必须评估在设计,开发,测试,和操作阶段。

美国航空航天局载人航天和探索新路径由于太空探索的远景(VSE) 2004。满足VSE目标,美国宇航局级将不得不购买和操作几个新human-rated系统,包括“猎户星”号的宇航员探险飞行器(CEV),船员运载火箭(CLV)、和月球表面访问模块(LSAM),以及其他元素船员运输(如太空推进阶段)和月球居住和流动性。机器人登月飞行器和机器人月球轨道车辆也将参加会议。通过减少一次性的和经常性成本和/或风险,共同勘探可以大大提高系统的硬件和软件方面的可持续性。这项研究促使这句话由NESC和麻省理工学院GN&C系统探索脱颖而出在所有未来的航天器系统作为共性的地方可能是最有利的。这个机器人和human-rated GN&C系统体系结构的分析方法进行了第一步确定的优缺点GN&C级飞行组件之间的共性。本报告介绍了这种比较研究的结果,这揭示出其潜在的(历史和客观的)机器人和human-rated任务GN&C系统之间的区别。

human-rated航天器的设计是一个复杂的和昂贵的过程,需要集成许多不同的标准。从历史上看,它很难反映整个设计对航班运营社区的影响综合评价。没有明确的标准集测量可操作性,也没有具体的需求被充分肯定“可操作性”。项目经理和飞行操作组经常吓了一跳,当面对复杂的和昂贵的操作实现作为项目运营阶段。阶段费用,减少操作系统的预测方法可操作性困难在整个开发阶段的程序是必需的。的问题解决飞行可操作性要求新项目有三个层面:(1)没有普遍接受的定义飞行可操作性;(2)没有明确的映射飞行可操作性需要计划和车辆需求;和(3)没有正式的方法来评估飞行可操作性特点给出航天器的设计和任务的定义。众多基本组件的创建需要开发一个可行的飞行可操作性评价技术。飞行可操作性特征必须是可以理解的方式对机组人员和项目经理。 Specific operability objectives must be established, ideally as official design and performance specifications. To assess compliance with such standards, objective metrics must be devised. Human-rated and robotic spacecraft GN&C systems have a lot in common in terms of design. To appropriately balance mission success (risk), performance, mass, power, and cost, both design procedures need system-level architecture evaluations, trade studies, and fault tolerance and reliability analyses. Both types of spacecraft are created utilizing industry-standard analytical, modeling, and simulation methods. Linear frequency domain stability assessments and time-domain nonlinear performance simulations, for example, are frequently employed. There are a small number of GN&C component vendors due to industry consolidation. As a result, both human-rated and robotic GN&C systems use sensors, computers, and actuators that are comparable.

Human-rated和机器人飞船GN&C系统设计方面有很多共同点。适当的平衡任务成功(风险),性能,质量,权力,和成本,设计过程需要系统级架构评估,贸易研究,容错性和可靠性分析。创建两种类型的飞船利用行业标准分析,建模和仿真方法。线性频域稳定性评估和时域非线性性能模拟,例如,经常使用。有少量的GN&C组件供应商由于行业整合。因此,human-rated和机器人GN&C系统都使用传感器、计算机和可比的致动器。几个组织试图定义飞行可操作性的设计标准。Humanrated和机器人飞船比较下这两个函数设置。必须经受严酷发射的冲击和振动。他们都有工作在极端空间辐射和热/真空条件。 Many of the same mission stages apply to them, such as低地球轨道巡航,条目,血统,着陆,约会等等。此外,这两种类型的飞船执行几个任务活动是相同的,比如天文惯性导航、角速率阻尼、姿态控制、轨道调整推进业务。无关紧要的方面,GN&C系统human-rated航天器不同于那些机器人飞船。人类的人身安全时,必须考虑设计一个GN&C系统human-rated设备。

优先考虑机组人员。欧洲航天局(ESA),美国宇航局喷气推进实验室(JPL)和美国国家航空航天局的林顿·b·约翰逊宇航中心(JSC)都发布文件,旨在更好的定义可操作性需求。欧洲航天局的空间段可操作性标准地址的安全,效率和成本效益的机器人航天器操作,虽然承认的挑战建立明确的标准上自动化功能。机器人飞船,美国宇航局喷气推进实验室建立了一套类似的设计要求。美国宇航局约翰逊航天中心开发了自己的太空系统操作设计标准手册为载人航天纪事报类似的经验教训。human-rated和机器人航天器在类似的设置下运行的操作。都必须承受严酷的启动冲击和振动的设置。必须在极端工作空间辐射和热/真空条件。他们分享几个任务阶段,包括低地球轨道巡航,条目,血统,着陆,约会等等。此外,这两种类型的飞船进行几个相同的任务活动,如天文惯性导航、角速率阻尼、姿态控制、轨道调整推进业务。