¿Cómo podrá DART alcanzar el punto muerto de una roca de 170 metros a más de 6000 m/s? ¿Qué tecnologías se utilizarán y cómo funcionarán juntas?

Didymos estará aproximadamente a 11 millones de kilómetros (6,8 millones de millas) de la Tierra en el momento del impacto de DART. El tiempo de ida y vuelta de una señal de radio de DART al centro de control en la Tierra será de unos 73 segundos. La velocidad de impacto a Didymos será de unos 6,6 km/s, después de los 73 segundos DART estará 484 km más cerca de su objetivo.

Por lo tanto, DART debería navegar de forma autónoma durante la última hora antes del impacto. El único instrumento de DART es la cámara DRACO (Cámara de reconocimiento y asteroides Didymos para navegación óptica).

DRACO es un generador de imágenes de alta resolución derivado de la cámara LORRI de New Horizons para respaldar la navegación y la orientación, medir el tamaño y la forma del objetivo del asteroide y determinar el sitio del impacto y el contexto geológico. DRACO es un telescopio de ángulo estrecho con una apertura de 208 milímetros y un campo de visión de 0,29 grados. Tiene un detector de semiconductor de óxido de metal complementario (CMOS) y un sofisticado procesador de imágenes incorporado para determinar la ubicación relativa de Dimorphos y admitir SMART Nav.

Como parte de la guía, navegación y control (GNC), el equipo de DART ha desarrollado algoritmos llamados SMART Nav (navegación autónoma en tiempo real con maniobras de cuerpo pequeño). Este sistema autónomo de navegación óptica identificará y distinguirá entre los dos cuerpos en Didymos y luego, trabajando en conjunto con los otros elementos GNC, dirigirá la nave espacial hacia el cuerpo más pequeño, Dimorphos, todo dentro de aproximadamente una hora del impacto. Para navegar con precisión hacia el asteroide utilizando sistemas a bordo, el equipo de DART está aprovechando décadas de algoritmos de guía de misiles desarrollados en APL.

La masa total de la nave espacial DART es de aproximadamente 1345 libras (610 kilogramos) en el momento del lanzamiento y 1210 libras (550 kilogramos) en el momento del impacto. DART transporta propulsor de hidracina (alrededor de 110 libras o 50 kilogramos) para maniobras de naves espaciales y control de actitud, y xenón (alrededor de 130 libras o 60 kilogramos) para operar el motor de demostración de tecnología de propulsión iónica. La nave espacial utilizará como máximo 22 libras (10 kilogramos) de xenón.

Por lo tanto, la navegación óptica autónoma y más de 50 años de experiencia con algoritmos de guía de misiles se utilizarán durante la última hora antes del impacto para golpear una roca de 170 metros en su centro. Para correcciones rápidas de trayectoria y actitud, se pueden utilizar los propulsores de hidracina.

Durante el viaje de 10 meses a Didymos, el control de tierra puede utilizar el motor de iones para optimizar la trayectoria.

Fuente

No trabajo para la NASA, por lo que no sé exactamente qué algoritmo utilizará DART para la orientación de su terminal. Pero sé que no tiene por qué ser particularmente complicado.

DART tiene una cámara de ángulo estrecho de alta resolución que (una vez que está dentro de unas pocas horas o días del impacto) puede ver tanto su objetivo, Dimorphos, como las estrellas de fondo. La observación clave es que cuando el centro de su objetivo no se mueve en relación con las estrellas, está en un curso de colisión con él (o volando en línea recta, pero eso no es un error probable dadas las circunstancias).

Por supuesto, la observación anterior es estrictamente cierta solo cuando tanto usted como el objetivo se mueven en línea recta a una velocidad constante, lo que no es del todo cierto en este caso. Pero el período orbital de Dimorphos alrededor de Didymos es de aproximadamente 12 horas, por lo que en escalas de tiempo de menos de una hora más o menos, podría estar moviéndose en línea recta.

Así que mi conjetura es que DART inicialmente seguirá una trayectoria de intersección precalculada con Didymos y Dimorphos, que la NASA refinará gradualmente en función de las observaciones tanto de la Tierra como de la propia sonda. Es posible que estas correcciones de rumbo no autónomas por sí solas sean suficientes para poner a DART en un curso de colisión con Dimorphos, ya que las trayectorias en el espacio son altamente predecibles. Pero también estoy bastante seguro de que la NASA no se basará solo en eso.

En su lugar, una vez que DART esté lo suficientemente cerca de Dimorphos para verlo, activará el algoritmo de guía automatizado. Por supuesto, inicialmente monitorearán su comportamiento desde la Tierra, tal vez incluso ejecutándolo inicialmente en modo de "ejecución en seco", donde solo informa lo que ve y qué correcciones de dirección habría hecho. Pero eventualmente, a medida que DART se acerca al impacto y el retraso de la velocidad de la luz hace que guiarlo desde la Tierra sea poco práctico, simplemente dejarán que el algoritmo lo dirija de forma autónoma durante las últimas horas más o menos.

Es posible (y muy probable) que el algoritmo de guía de DART incluya un término de corrección para la curvatura de la órbita de Dimorphos, pero eso es solo un pulido adicional: un algoritmo de seguimiento ingenuo que simplemente dirigió la sonda para mantener el objetivo estacionario contra las estrellas debería poder para hacer el trabajo bien durante los últimos minutos, tal vez usando un poco más de combustible de maniobra de lo necesario.

Es probable que el algoritmo de guía en sí mismo también haga uso de filtros Kálmán y otras herramientas de teoría de control similares para compensar entradas ruidosas, salidas de dirección imprecisas, etc. el trabajo, pero dado que este es un dispositivo costoso desarrollado por la NASA, estoy seguro de que usarán los mejores y más sofisticados algoritmos disponibles.

Dicho esto, no creo que escribir un script simple de kOS para realizar una tarea de orientación comparable en Kerbal Space Program tome mucho tiempo, tal vez menos que escribir esta respuesta. Podría intentarlo, aunque actualmente no tengo KSP instalado en esta computadora. De hecho, la parte que consume más tiempo probablemente sería restringir las entradas a lo que está realmente disponible para DART y agregar algo de ruido a las salidas de dirección para realismo.

El único modo de falla que querrá evitar, por supuesto, es tener que hacer correcciones de rumbo importantes en el último minuto y quedarse sin combustible (o tiempo) para hacerlo. Pero eso se evita simplemente haciendo las correcciones de rumbo más pequeñas y precisas posibles desde el principio y confiando en el determinismo de la mecánica orbital.

En mi mente hay dos preguntas diferentes aquí. El primero es hacia dónde apuntar, y el otro es con qué precisión puedes hacerlo.

Dónde apuntar es similar a cuando se dispara un arma a un objetivo en movimiento. El objetivo no debe ser hacia donde está el objetivo ahora, sino hacia dónde estará cuando el proyectil llegue al objetivo.

Usando la observación desde tierra es posible durante mucho tiempo crear una precisión excepcional en las ecuaciones que describen el movimiento del par del asteroide y su luna. Y de nuevo, utilizando equipos terrestres, puede alcanzar un alto grado de precisión en el movimiento del satélite.

Extrapolando en el tiempo utilizando las ecuaciones, es posible describir exactamente hacia dónde debe apuntar el vector de movimiento del satélite, y no hacia dónde se encuentra el asteroide en ese momento.

Lejos del asteroide, supongo que orientaría el satélite mirando la dirección del rastreador de "estrellas guía", no necesariamente apuntando ni siquiera cerca del asteroide. Al medir desde la tierra, podría enviar las correcciones que realiza el satélite.

Cerca del asteroide, las correcciones podrían ser realizadas de forma autónoma por el satélite. Solo habrá delta disponible para hacer pequeñas correcciones en este momento: el satélite ya debe estar justo en el objetivo. Mi suposición sería medir el ángulo entre el asteroide y algunas estrellas guía seleccionadas y tal vez si se puede ver la pequeña luna e ingresar estos ángulos junto con el tiempo en las ecuaciones para calcular una corrección y luego usar propulsores. Esto tiene que hacerse a tiempo para que realmente tenga algún efecto.

Ahora para la parte de precisión. La medición basada en tierra se puede hacer con mucha precisión. Y la cámara del telescopio en el satélite tiene una resolución muy alta que le permite "ver" con suficiente precisión para alcanzar una alta probabilidad de golpear la luna.

Como Dimorphos tiene un período orbital de 11,9 horas, se moverá unos 30 grados alrededor de Didymos durante la última hora de vuelo del satélite.