Η αυξανόμενη συσσώρευση ανενεργών δορυφόρων και διαστημικών συντριμμιών στη χαμηλή γήινη τροχιά αποτελεί μια από τις σημαντικότερες προκλήσεις για τη σύγχρονη αεροδιαστημική μηχανική. Με χιλιάδες αντικείμενα να παραμένουν «σιωπηλά» και μη συνεργάσιμα, η ανάγκη για αυτόνομη συντήρηση και απομάκρυνση των κινδύνων καθίσταται επιτακτική. Η Minduli Wijayatunga, μέλος του διδακτικού προσωπικού στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις Urbana-Champaign, παρουσίασε μια πρωτοποριακή λύση μέσω του συστήματος CORTEX (Convex Optimization for Rendezvous Trajectory Execution). Πρόκειται για ένα πλαίσιο σχεδιασμού τροχιάς και καθοδήγησης που επιτρέπει σε ένα διαστημικό σκάφος-υπηρεσίας να προσεγγίζει αυτόνομα ανενεργούς στόχους, λαμβάνοντας κρίσιμες αποφάσεις σε πραγματικό χρόνο, ακόμη και όταν αντιμετωπίζει απρόβλεπτες τεχνικές βλάβες ή ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες στο διάστημα.
Η πρόκληση των «υπνοβατούντων» δορυφόρων και των συντριμμιών
Σύμφωνα με τα στοιχεία του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, η τροχιά της Γης φιλοξενεί περίπου 19.440 δορυφόρους, εκ των οποίων οι 3.540 είναι πλέον μη λειτουργικοί και δεν εκπέμπουν σήματα εντοπισμού. Επιπλέον, πάνω από 8.000 μετρικοί τόνοι διαστημικών συντριμμιών περιφέρονται ανεξέλεγκτα, χωρίς δυνατότητα ώθησης ή επικοινωνίας. Η Wijayatunga επισημαίνει ότι η προσέγγιση τέτοιων αντικειμένων προσομοιάζει με τη φροντίδα ενός αναίσθητου ασθενούς. Επειδή η επικοινωνία με τη Γη παρουσιάζει σημαντικές καθυστερήσεις και τα παράθυρα επαφής είναι περιορισμένα, η διαδικασία επισκευής ή απομάκρυνσης πρέπει να εκτελείται πλήρως αυτόνομα. Το διαστημικό σκάφος-υπηρεσίας οφείλει να παρακολουθεί τις τροχιές των μη συνεργάσιμων αντικειμένων και να λαμβάνει αποφάσεις «go/no-go» χωρίς να αναμένει εντολές από το έδαφος, διασφαλίζοντας την ασφάλεια της αποστολής σε ένα περιβάλλον γεμάτο αβεβαιότητες.
Το πλαίσιο CORTEX και η καινοτομία στον σχεδιασμό τροχιών
Το σύστημα CORTEX σχεδιάστηκε για να αντιμετωπίσει τις προκλήσεις της προσέγγισης σε κοντινή απόσταση, ενσωματώνοντας παραμέτρους που προηγούμενα μοντέλα αγνοούσαν. Μια από τις βασικές καινοτομίες του είναι η συνεκτίμηση των ηλιακών παραθύρων. Το σύστημα προγραμματίζει τη συνάντηση με τον στόχο κατά τη διάρκεια περιόδων βέλτιστου φωτισμού, αποφεύγοντας τις επιχειρήσεις στο σκοτάδι που θα μπορούσαν να θέσουν σε κίνδυνο την ακρίβεια των ελιγμών. Σε αντίθεση με παλαιότερες προσεγγίσεις που εστίαζαν μόνο στις φάσεις μεταφοράς, το CORTEX εισάγει μια αρχιτεκτονική που επιτρέπει την επανασχεδίαση της τροχιάς ή την ακύρωση της προσέγγισης. Αυτή η ικανότητα να επιλέγει το σκάφος αν θα συνεχίσει την αποστολή ή αν θα υποχωρήσει σε μια ασφαλή τροχιά αποτελεί ένα κρίσιμο βήμα προς την πλήρη αυτονομία των διαστημικών επιχειρήσεων.
Αντοχή σε ακραίες συνθήκες και προσομοίωση βλαβών
Για να διασφαλιστεί η αξιοπιστία του συστήματος, η ερευνητική ομάδα υπέβαλε το CORTEX σε αυστηρές δοκιμές στο εργαστήριο. Οι ερευνητές προσομοίωσαν μια σειρά από αστοχίες, όπως η χειροκίνητη ώθηση του σκάφους εκτός πορείας, η ξαφνική απενεργοποίηση των προωθητήρων κατά τη διάρκεια κρίσιμων ελιγμών και η τεχνητή αύξηση των σφαλμάτων κατάστασης για την αναπαράσταση επιπτώσεων από ηλιακές καταιγίδες. Το σύστημα επέδειξε εντυπωσιακή ευρωστία. Σε περιπτώσεις όπου το σκάφος παρεκκλίνει σημαντικά από την ονομαστική του τροχιά, το CORTEX υπολογίζει άμεσα μια νέα διαδρομή. Εάν όμως η απόκλιση παραβιάζει τους κανόνες ασφαλείας ή τις ζώνες αποκλεισμού, το σύστημα λαμβάνει αυτόνομα την απόφαση να αποσυρθεί σε μια παθητικά ασφαλή τροχιά, αποτρέποντας πιθανές συγκρούσεις.
Αυτονομία στη λήψη αποφάσεων και ανάκτηση αποστολής
Η ικανότητα του CORTEX να ανακάμπτει από απρόβλεπτα γεγονότα είναι το κλειδί για τη μελλοντική επιτυχία των αποστολών συντήρησης. Όπως εξηγεί η Wijayatunga, το σύστημα δεν περιορίζεται σε μια στατική πορεία, αλλά λειτουργεί ως ένας έξυπνος αλγόριθμος ανάκαμψης. Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, παρατηρήθηκε ότι σε ορισμένες περιπτώσεις το σκάφος κατάφερε να διορθώσει την πορεία του και να συνεχίσει την αποστολή, ενώ σε άλλες, όπου η παραβίαση του διαδρόμου προσέγγισης ήταν σοβαρή, επέλεξε την ασφαλή υποχώρηση. Αυτή η ιεράρχηση αποφάσεων επιτρέπει στο σκάφος να διαχειρίζεται το ρίσκο χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση, καθιστώντας το ιδανικό για αποστολές σε περιβάλλοντα όπου η επικοινωνία είναι αδύνατη ή καθυστερημένη.
Μελλοντικές προοπτικές και η εξέλιξη της τεχνολογίας
Η έρευνα της Wijayatunga δεν σταματά στο CORTEX, καθώς η ομάδα της εξερευνά ήδη νέες εφαρμογές, όπως η χρήση ενισχυτικής μάθησης (reinforcement learning) για τον επανασχεδιασμό της φάσης που προηγείται της στενής προσέγγισης. Αυτή η φάση, που εκτείνεται από τα 30 έως τα 3 χιλιόμετρα απόσταση από τον στόχο, απαιτεί εξαιρετική ακρίβεια. Παρόλο που η αυτόνομη συντήρηση σε μη συνεργάσιμους στόχους δεν έχει ακόμη εφαρμοστεί σε ευρεία κλίμακα, η τεχνολογία αυτή δεν παραμένει θεωρητική. Η αποστολή ADRAS-J έχει ήδη επικυρώσει πειραματικά στο διάστημα την προσέγγιση σε κοντινή απόσταση από ανενεργά αντικείμενα, ανοίγοντας τον δρόμο για την πρακτική εφαρμογή των αλγορίθμων που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Acta Astronautica.
Πηγή: phys.org
