Лунный орбитальный лазерный альтиметр Lunar Reconnaissance Orbiter создал подробные карты Южного полюса Луны, в том числе места, где водяной лед, по-видимому, заполняет дно постоянно затененных кратеров. Авторы и права: НАСА/LRO
Этим летом инженеры НАСА испытают с самолета набор новых лазерных технологий для дистанционного зондирования Земли. Эти инструменты, получившие название «лидар», также могут быть использованы для улучшения моделей формы Луны и помощи в поиске мест посадки Артемиды.
Подобно гидролокатору, но используя свет вместо звука, лидары рассчитывают расстояния, рассчитывая, сколько времени потребуется лазерному лучу, чтобы отразиться от поверхности и вернуться к прибору. Множественные импульсы лазера могут обеспечить относительную скорость и даже трехмерное изображение цели. Они все чаще помогают ученым и исследователям НАСА ориентироваться, составлять карты и собирать научные данные.
Инженеры и ученые из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, продолжают совершенствовать лидары, превращая их в меньшие, более легкие и универсальные инструменты для науки и исследований с помощью оборудования, предоставленного партнерами из малого бизнеса и академических кругов.
«Существующие лидары для 3D-изображения с трудом обеспечивают 2-дюймовое разрешение, необходимое для технологий наведения, навигации и управления, чтобы гарантировать точную и безопасную посадку, необходимую для будущих исследовательских миссий с роботами и людьми», — сказал инженер группы Джеффри Чен. «Такая система требует трехмерного лидара обнаружения опасностей и навигационного доплеровского лидара, и ни одна существующая система не может выполнять обе функции».
Представляем CASALS, параллельную искусственную интеллектуальную спектрометрию и адаптивную лидарную систему. CASALS, разработанный в рамках программы внутренних исследований и разработок Годдарда IRAD, пропускает перестраиваемый лазер через призматическую решетку, распределяя луч в зависимости от его изменяющихся длин волн. Традиционные лидары излучают лазер с фиксированной длиной волны, который разделяется на несколько лучей с помощью громоздких зеркал и линз. Один инструмент CASALS может за один проход охватить большую часть поверхности планеты, чем лидары, десятилетиями используемые для измерения Земли, Луны и Марса.
Меньший размер, вес и меньшие требования к мощности CASALS позволяют использовать небольшие спутниковые приложения, а также портативные или портативные лидары для использования на поверхности Луны, сказал инженер Годдарда и руководитель разработки CASALS Гуаннинг Ян.
Команда CASALS получила финансирование от Управления технологий наук о Земле НАСА для тестирования своих усовершенствований на самолете в 2024 году, что приблизит их систему к готовности к космическому полету.
Какого цвета ваш лидар?
По мере того, как лидары становятся более специализированными, CASALS может использовать различные длины волн или цвета лазерного света для таких приложений, как наука о Земле, исследование других планет и объектов в космосе, а также операции навигации и сближения.
Команда CASALS использовала финансирование Goddard IRAD и NASA SBIR (Программа инновационных исследований малого бизнеса) вместе с коммерческими партнерами Axsun Technologies и Freedom Photonics для разработки новых быстронастраивающихся лазеров в 1-микронной части инфракрасного спектра для наук о Земле и исследования планет. Для сравнения, общедоступные лидары, используемые для разработки беспилотных транспортных средств, обычно используют 1,5-микронные лазеры для расчета дальности и скорости.
На Земле волны с длиной волны около 1 микрона легко проходят через атмосферу и хорошо помогают отличить растительность от голой земли, говорит Ян Адамс, главный технолог Годдарда по наукам о Земле. Длины волн около 0,97 и 1,45 микрон дают ценную информацию о водяном паре в атмосфере Земли, но не так эффективно передаются на поверхность.
В рамках аналогичного проекта команда в партнерстве с Left Hand Design Corporation разработала рулевое зеркало, которое позволит расширить охват 3D-изображений CASALS и улучшить разрешение. Он сказал, что более высокая частота импульсов лидара может повысить чувствительность сигнала, чтобы обеспечить измерения дальности и скорости на расстоянии до 60 миль.
Миссии, связанные с «Артемидой», стремящиеся приземлиться возле южного полюса Луны, также могут использовать более четкие изображения CASALS, чтобы помочь оценить безопасность потенциальных мест посадки.
Как сфокусировать луну
Более подробные 3D-модели Луны побудили ученого-планетолога Годдарда Эрвана Мазарико усовершенствовать способность CASALS измерять детали поверхности размером менее 3 футов. Он сказал, что это поможет понять подземные структуры Луны и изменения, происходящие с течением времени.
Каждый месяц путь Земли по лунному небу перемещается в пределах 10 или 20 градусов от центра стороны, обращенной к Земле.
«Основываясь на нашем понимании ее внутренней структуры, мы предсказали, что смещающееся притяжение Земли может изменить приливную выпуклость или форму Луны», — сказал Мазарико. «Измерения этой деформации с высоким разрешением могли бы рассказать нам больше о потенциальных изменениях внутри Луны. Реагирует ли она внутри как полностью однородное тело?»
Лунный разведывательный орбитальный аппарат НАСА (LRO) измеряет естественный спутник Земли с 2009 года, моделирует рельеф Луны и делает множество открытий с помощью LOLA, лунного орбитального лидарного альтиметра. LOLA выпускает 28 лазерных импульсов в секунду, разделенных на пять лучей, касающихся поверхности на расстоянии от 65 до 100 футов друг от друга. Ученые используют изображения LRO для оценки более мелких особенностей поверхности между лазерными измерениями.
Однако лазер CASALS позволяет производить эквивалент нескольких сотен тысяч импульсов в секунду, сокращая расстояние между измерениями поверхности.
«Более плотный и точный набор данных позволил бы нам изучить гораздо более мелкие особенности», — сказал Мазарико, в том числе результаты ударов, вулканической активности и тектоники. «Мы говорим о на порядок большем количестве измерений. Это может существенно изменить правила игры с точки зрения типа данных, которые мы получаем от лидара».
