Введение

Американская научно-исследовательская организация Draper Laboratory – американская некоммерческая научно-исследовательская и опытно-конструкторская организация, штаб-квартира которой находится в Кембридже, штат Массачусетс; её официальное название – The Charles Stark Draper Laboratory, Inc (иногда сокращается как CSDL). Лаборатория специализируется на проектировании, разработке и внедрении передовых технологических решений для задач в области национальной безопасности, освоения космоса, здравоохранения и энергетики. Лаборатория была основана в 1932 году Чарльзом Старком Дрейпером при Массачусетском технологическом институте (MIT) для разработки авиационного приборного оборудования и получила название Лаборатория приборов MIT. В этот период лаборатория наиболее известна разработкой бортового компьютера Apollo Guidance, первого компьютера, созданного на основе кремниевых интегральных схем. В 1970 году она была переименована в честь своего основателя, а в 1973 году отделилась от MIT, став независимой некоммерческой организацией. Компетенции сотрудников лаборатории охватывают области технологий и систем наведения, навигации и управления; отказоустойчивых вычислений; передовых алгоритмов и программных систем; моделирования; микроэлектромеханических систем и технологии многочиповых модулей.

История

В 1932 году Чарльз Старк Дрейпер, профессор аэронавтики в МТИ, основал учебную лабораторию для разработки приборов, необходимых для отслеживания, управления и навигации летательных аппаратов. Во время Второй мировой войны лаборатория Дрейпера была известна как Конфиденциальная лаборатория разработки приборов. Позже название было изменено на MIT Instrumentation Laboratory, или I Lab. В 1970 году лаборатория располагалась по адресу: 45 Osborn Street, Кембридж. В 1970 году лаборатория была переименована в честь своего основателя и оставалась частью МТИ до 1973 года, когда стала независимой некоммерческой исследовательской и опытно-конструкторской корпорацией. Переход к независимой корпорации был вызван давлением с целью закрытия лабораторий МТИ, занимавшихся военными исследованиями во время войны во Вьетнаме, несмотря на отсутствие участия лаборатории в этой войне. В связи с выделением из МТИ лаборатория была первоначально перенесена в 75 Cambridge Parkway и другие разрозненные здания вблизи МТИ, пока не было возведено централизованное новое здание по адресу 555 Technology Square. Комплекс, спроектированный компанией Skidmore, Owings & Merrill (Чикаго), был открыт в 1976 году (позже, в 1992 году, переименован в "Здание Роберта А. Даффи"). Однако в 1989 году Draper Lab была вынуждена сократить штат более чем на 2000 человек вдвое за счет сочетания досрочных выходов на пенсию, естественной убыли и вынужденных увольнений. Открытое и просторное внутреннее пространство, спроектированное бостонскими архитекторами Elkus Manfredi, отличается наличием зеленой стены и множеством мест для сидения. На протяжении всей своей истории лаборатория уделяла особое внимание разработке и раннему применению передовых технологий наведения, навигации и управления (GN&C) для удовлетворения потребностей Министерства обороны США и НАСА. Среди достижений лаборатории – разработка точных и надежных систем наведения для баллистических ракет, запускаемых с подводных лодок, а также бортового компьютера "Аполлон", который безошибочно направлял астронавтов "Аполлона" на Луну и обеспечивал их безопасное возвращение на Землю. Проект "Аполлон" возглавляла Маргарет Гамильтон, в нем также участвовали такие программисты, как Дон Эйлс и Хал Лэнинг. Лаборатория внесла вклад в разработку инерциальных датчиков, программного обеспечения и других систем GN&C для коммерческих и военных самолетов, подводных лодок, стратегических и тактических ракет, космических аппаратов и беспилотных летательных аппаратов. Инерциальные системы GN&C играли ключевую роль в навигации подводных лодок с баллистическими ракетами в течение длительных периодов времени под водой для уклонения от обнаружения, а также в наведении их ракет, запускаемых с подводных лодок, на цели, начиная с ракетной программы UGM-27 Polaris.

Локации

Draper имеет представительства в нескольких городах США: по состоянию на 2006 год предполагалось, что многие военные и гражданские приложения будут интегрировать GPS с INS, включая возможность создания артиллерийских снарядов с глубоко интегрированной системой, способной выдерживать перегрузку в 20 000 g при выстреле из пушки. В 2012 году инженеры Лаборатории Дрейпера в Хьюстоне, штат Техас, разработали новый метод разворота Международной космической станции, названный «оптимальным импульсным маневром», который позволил сэкономить 94% топлива по сравнению с предыдущей практикой. Алгоритм учитывает все факторы, влияющие на движение станции, включая «положение двигателей и воздействие гравитации и гироскопического момента». По состоянию на 2013 год, на индивидуальном уровне, Draper разрабатывал костюм для использования в космосе, использующий гироскопы с управляемым моментом (CMG), создающие сопротивление движениям конечностей астронавта для смягчения потери костной массы и поддержания мышечного тонуса во время длительных космических полетов. Устройство называется костюмом с переменным вектором противодействия, или V2Suit, который также использует CMG для помощи в поддержании равновесия и координации движений, создавая сопротивление и искусственное ощущение «направления вниз». Каждый модуль CMG размером с колоду карт. Предполагается, что костюм будет использоваться «перед посадкой на Землю или периодически во время длительной миссии». В 2013 году команда Draper/MIT/NASA также разрабатывала космический костюм, дополненный CMG, который расширил бы текущие возможности системы «Упрощенная помощь при спасении EVA» (SAFER) от NASA — космического костюма, предназначенного для «самоспасения с помощью двигателей» в случае случайного отсоединения астронавта от космического аппарата. Костюм, дополненный CMG, обеспечит более эффективную противодействующую силу, чем доступно сейчас при использовании инструментов в условиях низкой гравитации. На Земле противодействующая сила обеспечивается гравитацией. Без нее приложенная сила приведет к равной по величине силе в противоположном направлении, либо в виде прямолинейного движения, либо вращения. В космосе это может привести к потере контроля астронавтом. В настоящее время астронавты должны закрепляться на рабочей поверхности. CMG предлагают альтернативу механическому креплению или гравитационной силе.

Коммерческие услуги по доставке полезной нагрузки на Луну

29 ноября 2018 года Лаборатория Дрейпера была объявлена NASA подрядчиком программы Commercial Lunar Payload Services (CLPS), что дает ей право участвовать в тендерах на доставку научных и технологических грузов на Луну для NASA. Лаборатория Дрейпера официально представила проект лунного посадочного модуля под названием Artemis 7. Компания пояснила, что цифра 7 обозначает седьмую лунную миссию, в которой примет участие Лаборатория Дрейпера, после шести лунных посадок программы Apollo. В число субподрядчиков, участвующих в этом проекте, входят General Atomics, которая будет производить посадочный модуль, и Spaceflight Industries, которая обеспечит услуги по запуску. По состоянию на сентябрь 2023 года Draper и ispace разрабатывают лунный посадочный модуль APEX 1.0 для доставки грузов CLPS на Луну в 2026 году.

Интеллектуальные системы

Исследователи Draper разрабатывают системы искусственного интеллекта, позволяющие роботизированным устройствам учиться на своих ошибках. Эта работа ведется в рамках программы, финансируемой DARPA, и связана с перспективной боевой системой армии США. Эта возможность позволит автономному устройству, находящемуся под огнем, запомнить, что дорога опасна, и найти более безопасный маршрут, или распознать критический уровень топлива и степень повреждений. По сообщениям, в 2008 году Полом Дебиттето руководил группой когнитивной робототехники лаборатории в рамках этой работы. Министерство внутренней безопасности США профинансировало лабораторию Draper и других партнеров для разработки технологии обнаружения потенциальных террористов с использованием камер и других датчиков, отслеживающих поведение проверяемых людей. Проект получил название Future Attribute Screening Technology (FAST) – «Технология скрининга атрибутов будущего». Применение технологии планируется на контрольно-пропускных пунктах для оценки кандидатов, требующих дополнительной проверки. В ходе демонстрации технологии руководитель проекта Роберт П. Бернс пояснил, что система предназначена для различения злонамеренных намерений и невинных проявлений стресса, опираясь на обширные исследования в области психологии обмана. По состоянию на 2010 год Нил Адамс, директор программ тактических систем лаборатории Draper, возглавлял системную интеграцию программы Nano Aerial Vehicle (NAV) Агентства передовых исследовательских проектов (DARPA), направленной на миниатюризацию летающих разведывательных платформ. Это включает в себя управление транспортным средством, системами связи и наземного управления, что позволяет NAV функционировать автономно, неся полезную нагрузку датчиков для выполнения поставленной задачи. NAV должны работать в городских условиях с ограниченной или отсутствующей доступностью сигнала GPS, полагаясь на системы и датчики, основанные на визуальном восприятии.

Медицинские системы

В 2009 году Дрейпер сотрудничал с Массачусетской глазной и ушной клиникой для разработки имплантируемого устройства доставки лекарств, которое "объединяет элементы микроэлектромеханических систем, или MEMS, с микрофлюидикой, обеспечивая точный контроль над жидкостями в очень малых масштабах". Устройство представляет собой "гибкую машину, заполненную жидкостью", использующую трубки, которые расширяются и сжимаются для обеспечения потока жидкости по каналам с заданным ритмом, приводимым в действие микронасосом, адаптирующимся к внешним воздействиям. Система, финансируемая Национальными институтами здоровья, может лечить потерю слуха, доставляя "микроскопические дозы жидкого лекарства в очень деликатную область уха, имплантат позволит сенсорным клеткам регенерировать, в конечном итоге восстанавливая слух пациента". По состоянию на 2010 год Хизер Кларк из Лаборатории Дрейпера разрабатывала метод измерения концентрации глюкозы в крови без прокола пальца. Метод использует наносенсор, похожий на миниатюрную татуировку, всего в несколько миллиметров в диаметре, который пациенты наносят на кожу. Сенсор использует ближний инфракрасный или видимый спектр света для определения концентрации глюкозы. Обычно для контроля уровня глюкозы в крови диабетикам необходимо несколько раз в день измерять его, беря каплю крови, полученную уколом, и помещая образец в прибор, измеряющий уровень глюкозы. Наносенсорный подход призван заменить этот процесс.

Техническое образование

Программа Draper Fellow, основанная на исследованиях, ежегодно поддерживает около 50 студентов-выпускников. Студенты готовятся к руководящим должностям в правительстве, вооруженных силах, промышленности и образовании. Лаборатория также поддерживает финансируемые исследования на территории университета совместно с преподавателями и ведущими исследователями через университетскую программу НИОКР. Она предоставляет студентам возможности трудоустройства и прохождения стажировок. Лаборатория Дрейпера реализует программу STEM (наука, технологии, инженерия и математика) для учащихся K–12 и программу просвещения населения, которая была учреждена в 1984 году. Каждый год лаборатория выделяет более 175 000 долларов США через свои программы по связям с общественностью. Эти средства включают поддержку стажировок, программ обмена опытом, участие в научных фестивалях, а также организацию экскурсий и приглашение лекторов – все это является продолжением ее миссии. Лаборатория Дрейпера также является спонсором Draper Spark!Lab, расположенного в Национальном музее американской истории на Национальной аллее в Вашингтоне, округ Колумбия. Эта практическая мастерская изобретений, управляемая Смитсоновским институтом, открыта для всех посетителей и ориентирована на образовательные мероприятия для детей в возрасте от 6 до 12 лет.

Премия Дрейпера

Компания учреждает премию имени Чарльза Старка Дрейпера, которая администрируется Национальной академией инженерии. Премия присуждается "за признание новаторских инженерных достижений и их практическую реализацию, которые привели к значительным выгодам и существенному улучшению благосостояния и свободы человечества". Достижения в любой инженерной области могут претендовать на денежный приз в размере 500 000 долларов.