Лаборатория Дрейпера - Draper Laboratory

Лаборатория Дрейпера
Тип Независимая некоммерческая корпорация
Промышленность Оборонный
космос
Биомедицинская
энергия
Основан Конфиденциальная лаборатория разработки приборов Массачусетского технологического института (1932 г.)
Лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, Inc. (1973 г.)
Главное управление 555 Technology Square , Кембридж, Массачусетс 02139-3563
Количество локаций
4
Действующие лица
Д-р Уильям ЛаПланте , президент и генеральный директор (2020–)
Доход 571,8 млн долларов (2017 финансовый год)
Количество работников
1,700
Интернет сайт www.draper.com

Draper Laboratory - американская некоммерческая научно - исследовательская организация со штаб-квартирой в Кембридже, Массачусетс ; его официальное название - Лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, Inc (иногда сокращенно CSDL ). Лаборатория специализируется на проектировании, разработке и внедрении передовых технологических решений проблем в области национальной безопасности, освоения космоса, здравоохранения и энергетики.

Лаборатория была основана в 1932 году Чарльзом Старком Дрейпером в Массачусетском технологическом институте (MIT) для разработки авиационных приборов и получила название Приборная лаборатория Массачусетского технологического института . В этот период лаборатория наиболее известна разработкой компьютера Apollo Guidance Computer , первого компьютера на основе кремниевых интегральных схем . В 1970 году он был переименован в честь своего основателя и отделился от Массачусетского технологического института в 1973 году, чтобы стать независимой некоммерческой организацией.

Опыт сотрудников лаборатории включает в себя области технологий и систем наведения, навигации и управления; отказоустойчивые вычисления; передовые алгоритмы и программные комплексы; моделирование и симуляция; и микроэлектромеханические системы и технология многокристальных модулей.

История

Интерфейс дисплея и клавиатуры (DSKY) управляющего компьютера Apollo , установленного на панели управления командного модуля, с указателем ориентации полетного директора (FDAI) выше

В 1932 году Чарльз Старк Дрейпер, профессор аэронавтики Массачусетского технологического института, основал учебную лабораторию для разработки приборов, необходимых для отслеживания, управления и навигации самолетов. 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 . По состоянию на 1970 год он располагался по адресу 45 Osborn Street в Кембридже.

Лаборатория была переименована в честь ее основателя в 1970 году и оставалась частью Массачусетского технологического института до 1973 года, когда она стала независимой некоммерческой корпорацией по исследованиям и разработкам. Переход к независимой корпорации возник из-за давления с требованием избавиться от лабораторий Массачусетского технологического института, занимавшихся военными исследованиями, во время войны во Вьетнаме , несмотря на отсутствие роли лаборатории в этой войне.

После отделения от Массачусетского технологического института лаборатория первоначально была перемещена на Кембридж-Парквей, 75 и другие разрозненные здания рядом с Массачусетским технологическим институтом, до тех пор, пока новое централизованное здание площадью 450 000 квадратных футов (42 000 м 2 ) не могло быть возведено на 555 Technology Square . Комплекс, спроектированный Skidmore, Owings & Merrill (Чикаго), был открыт в 1976 году (позже переименован в здание Роберта А. Даффи в 1992 году).

В 1984 году недавно построенное здание Альберта Г. Хилла площадью 170 000 квадратных футов (16 000 м 2 ) было открыто на улице Уан-Хэмпшир и соединено через улицу с главным зданием через надежно огороженный пешеходный мост . Однако в 1989 году Draper Lab была вынуждена вдвое сократить штат сотрудников более чем на 2000 человек из-за сочетания досрочного выхода на пенсию, увольнения и вынужденных увольнений. Это резкое сокращение было вызвано сокращением финансирования обороны и изменениями в правилах заключения государственных контрактов. В ответ Дрейпер расширил свою работу, направленную на решение национальных целей, не связанных с обороной, в таких областях, как освоение космоса, энергетические ресурсы, медицина, робототехника и искусственный интеллект, а также принял меры по расширению своей неправительственной работы, в конечном итоге увеличившись до 1400 сотрудников в десятилетие.

В 2017 году бывший открытый двор между первоначальными зданиями был преобразован в закрытый многоэтажный атриум площадью 1900 м 2, в котором разместились службы безопасности, стойка регистрации, полуобщественные зоны, временные выставочные площади и столовые для сотрудников. Открытое и просторное внутреннее пространство, спроектированное бостонскими архитекторами Элькусом Манфреди , отличается зеленой растительностью и множеством сидячих мест.

Основным направлением программ лаборатории на протяжении всей ее истории была разработка и раннее применение передовых технологий наведения, навигации и управления (GN&C) для удовлетворения потребностей Министерства обороны США и НАСА . Достижения лаборатории включают проектирование и разработку точных и надежных систем наведения для подводных баллистических ракет, а также компьютера наведения Apollo, который безошибочно направлял астронавтов Apollo на Луну и безопасно возвращался на Землю. Лаборатория внесла свой вклад в разработку инерциальных датчиков, программного обеспечения и других систем для управления и контроля коммерческих и военных самолетов, подводных лодок, стратегических и тактических ракет, космических кораблей и беспилотных транспортных средств.

Проект Apollo включал работу таких программистов, как Дон Эйлс , Маргарет Гамильтон и Хэл Лэнинг , которые кодировали бортовое программное обеспечение миссии для посадки на Луну NASA Apollo 11 . Системы GN&C инерционного базирования были центральными для управления подводными лодками с баллистическими ракетами в течение длительных периодов времени под водой, чтобы избежать обнаружения, и наведения баллистических ракет, запускаемых с подводных лодок, к своим целям, начиная с ракетной программы UGM-27 Polaris .

Локации

У Draper есть представительства в нескольких городах США:

Бывшие местоположения включают Тампу, штат Флорида, в Университете Южной Флориды (Центр биоинженерии).

Технические области

В оригинальном логотипе особое внимание уделялось технологиям навигации и наведения; с тех пор лаборатория расширила сферу своей компетенции

Согласно его веб-сайту, сотрудники лаборатории применяют свой опыт к автономным воздушным, наземным, морским и космическим системам; информационная интеграция; распределенные датчики и сети; высокоточные боеприпасы; биомедицинская инженерия; химическая / биологическая защита; моделирование и управление энергетическими системами. При необходимости Дрейпер работает с партнерами над переводом их технологий на коммерческое производство.

Лаборатория охватывает семь областей технических знаний:

  • Стратегические системы: применение опыта управления, навигации и контроля (GN&C) к гибридным технологиям на основе GPS, а также к навигации подводных лодок и обеспечению безопасности стратегических вооружений.
  • Space Systems: В качестве «партнера НАСА по развитию технологий и переходного агента для исследования планет», разработка GN&C и высокопроизводительных научных инструментов. Экспертиза также касается космического сектора национальной безопасности.
  • Тактические системы: разработка платформ морской разведки, наблюдения и разведки (ISR), миниатюрных систем наведения боеприпасов, управляемых авиационных систем доставки материальных средств, ориентированных на солдат физических систем и систем поддержки принятия решений, защищенной электроники и связи, а также наведения на ранний перехват для ведения противоракетной обороны. .
  • Специальные программы: разработка концепции, прототипирование, низкоскоростное производство и эксплуатационная поддержка уникальных систем, связанных с другими техническими областями.
  • Биомедицинские системы: микроэлектромеханические системы (МЭМС), микрофлюидные приложения медицинских технологий и миниатюрные интеллектуальные медицинские устройства.
  • Air Warfare и ISR: разведывательная технология для приложений наведения и планирования целей.
  • Энергетические решения: управление надежностью, эффективностью и производительностью оборудования в сложных системах производства и потребления энергии, включая угольные электростанции или Международную космическую станцию .

Известные проекты

USS  George Washington  (SSBN-598) полагались на инерциальной навигации при погружении и его UGM-27 Polaris ракеты полагались на инерциальной руководство , чтобы найти свои цели.

Области проектов, всплывавшие в новостях, относились к основному опыту Лаборатории Дрейпера в области инерциальной навигации еще в 2003 году. В последнее время акцент сместился на исследования в области инновационных тем космической навигации, интеллектуальных систем, которые полагаются на датчики и компьютеры для принятия автономных решений. и наноразмерные медицинские устройства.

Инерциальная навигация

Сотрудники лаборатории изучили способы интеграции входных данных из глобальной системы позиционирования (GPS) в навигацию на основе инерциальной навигационной системы для снижения затрат и повышения надежности. Военные инерциальные навигационные системы (INS) не могут полностью полагаться на наличие спутников GPS для коррекции курса (что необходимо из-за постепенного роста ошибок или «дрейфа») из-за угрозы враждебного блокирования или глушения сигнала. Менее точная инерциальная система обычно означает менее дорогостоящую систему, но требует более частой повторной калибровки положения из другого источника, такого как GPS. Системы, которые объединяют GPS с INS, классифицируются как «слабосвязанные» (до 1995 г.), «сильно связанные» (1996–2002 гг.) Или «глубоко интегрированные» (с 2002 г.), в зависимости от степени интеграции оборудования. С 2006 года предполагалось, что многие военные и гражданские применения будут интегрировать GPS с INS, включая возможность артиллерийских снарядов с глубоко интегрированной системой, которая может выдержать 20 000 g при выстреле из пушки.

Космическая навигация

В работе Международной космической станции используются несколько технологий лаборатории Дрейпера.

В 2010 году Лаборатория Дрейпера и Массачусетский технологический институт сотрудничали с двумя другими партнерами в рамках команды Next Giant Leap, чтобы выиграть грант на получение премии Google Lunar X Prize, отправив первого робота, финансируемого из частных источников, на Луну. Чтобы претендовать на приз, робот должен пройти 500 метров по поверхности Луны и передать видео, изображения и другие данные обратно на Землю. Команда разработала «Земной искусственный лунный симулятор и имитатор пониженной гравитации» для моделирования операций в космической среде с использованием алгоритма управления, навигации и управления лабораторией Дрейпера для уменьшения гравитации.

В 2012 году инженеры лаборатории Дрейпера в Хьюстоне , штат Техас, разработали новый метод поворота Международной космической станции , названный «оптимальный маневр топлива», который позволил сэкономить 94 процента по сравнению с предыдущей практикой. Алгоритм учитывает все, что влияет на то, как движется станция, включая «положение ее двигателей, влияние силы тяжести и гироскопического момента».

С 2013 года Дрейпер в личном масштабе разрабатывал одежду для использования на орбите, в которой используются гироскопы с контролируемым моментом (CMG), которые создают сопротивление движению конечностей астронавта, чтобы помочь уменьшить потерю костной массы и поддерживать мышечный тонус во время длительного космического полета. Это устройство называется костюмом с переменным вектором противодействия или V2Suit, который также использует CMG для помощи в балансе и координации движений, создавая сопротивление движению и искусственное чувство «вниз». Каждый модуль CMG размером с колоду карт. Идея состоит в том, чтобы носить одежду «перед приземлением на Землю или периодически в течение долгой миссии».

В 2013 году группа Дрейпера / Массачусетского технологического института / НАСА также разрабатывала скафандр с дополнением CMG, который расширил бы текущие возможности НАСА «Упрощенная помощь для спасения при выходе из космоса» (SAFER) - скафандр, предназначенный для «движущего самоспасения», когда космонавт случайно теряет связь с космическим кораблем. Костюм с дополнением CMG обеспечит лучшую противодействие, чем это доступно сейчас, когда астронавты используют инструменты в условиях низкой гравитации. Противодействие на Земле возможно благодаря гравитации. Без него приложенная сила привела бы к равной силе в противоположном направлении, будь то прямая линия или вращение. В космосе это может вывести космонавта из-под контроля. В настоящее время космонавты должны прикрепляться к обрабатываемой поверхности. CMG могут предложить альтернативу механическому соединению или гравитационной силе.

Коммерческие службы лунной полезной нагрузки

29 ноября 2018 Draper Laboratory был назван коммерческой Лунные Payload Services Подрядчик НАСА , что делает его право делать ставки на доставку науки и технику , полезную нагрузку на Луну НАСА. Draper Lab официально предложила посадочный модуль под названием Artemis-7 . Компания объяснила, что цифра 7 обозначает 7-ю лунную миссию, в которой будет участвовать Лаборатория Дрейпера, после шести высадок Аполлона на Луну. Концепция посадочного модуля основана на конструкции японской компании ispace , которая является членом команды Draper в этом предприятии. Субподрядчики в этом предприятии включают General Atomics, которая будет производить посадочный модуль, и Spaceflight Industries , которая организует услуги по запуску посадочного модуля.

Интеллектуальные системы

Исследователи Draper разрабатывают системы искусственного интеллекта, позволяющие роботизированным устройствам учиться на своих ошибках. Эта работа проводится в поддержку финансируемой DARPA работы, относящейся к армейской боевой системе будущего . Эта возможность позволит беспилотному самолету, находящемуся под обстрелом, узнать, что эта дорога опасна, и найти более безопасный маршрут, или распознать его статус топлива и статус повреждения. Сообщается, что в 2008 году Пол ДеБитетто возглавлял группу когнитивной робототехники в лаборатории в этой работе.

С 2009 года Министерство внутренней безопасности США финансировало лабораторию Дрейпера и других сотрудников для разработки технологии обнаружения потенциальных террористов с помощью камер и других датчиков, которые отслеживают поведение проверяемых людей. Проект называется Future Attribute Screening Technology (FAST). Заявление предназначено для контрольно-пропускных пунктов для оценки кандидатов на последующий отбор. Во время демонстрации технологии менеджер проекта Роберт П. Бернс объяснил, что система предназначена для различения злонамеренного намерения и доброжелательных проявлений страдания путем проведения обширных исследований психологии обмана.

С 2010 года Нил Адамс, директор программ тактических систем в Draper Laboratory, руководил системной интеграцией программы Nano Aerial Vehicle (NAV) Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) для миниатюризации летающих разведывательных платформ. Это влечет за собой управление транспортным средством, системами связи и наземного управления, позволяющими NAV функционировать автономно, неся полезную нагрузку датчика для достижения намеченной миссии. NAVS должны работать в городских районах с небольшим или отсутствующим сигналом GPS, полагаясь на датчики и системы технического зрения.

Медицинские системы

Микрожидкостные устройства могут быть имплантированы людям для проведения корректирующей терапии.

В 2009 году Дрейпер сотрудничал с Массачусетской больницей глаз и ушей для разработки имплантируемого устройства для доставки лекарств, которое «объединяет аспекты микроэлектромеханических систем или МЭМС с микрофлюидикой, что позволяет точно контролировать жидкости в очень малых масштабах». Устройство представляет собой «гибкую машину, наполненную жидкостью», в которой используются трубы, которые расширяются и сжимаются для обеспечения потока жидкости через каналы с определенным ритмом, приводимым в действие микронасосом, который адаптируется к воздействию окружающей среды. Система, финансируемая Национальным институтом здравоохранения , может лечить потерю слуха, доставляя «крошечные количества жидкого лекарства в очень чувствительную область уха, имплантат позволит сенсорным клеткам вырасти заново, в конечном итоге восстановив слух пациента».

С 2010 года Хизер Кларк из лаборатории Draper разрабатывала метод измерения концентрации глюкозы в крови без укола пальца. В этом методе используется нано-сенсор, похожий на миниатюрную татуировку, всего несколько миллиметров в диаметре, которую пациенты наносят на кожу. Датчик использует ближний инфракрасный или видимый диапазоны света для определения концентрации глюкозы. Обычно, чтобы регулировать уровень глюкозы в крови, диабетики должны измерять уровень глюкозы в крови несколько раз в день, беря каплю крови, полученную уколом булавкой, и вставляя образец в прибор, который может измерять уровень глюкозы. Наносенсорный подход заменит этот процесс.

Известные нововведения

Сотрудники лаборатории работали в группах над созданием новых навигационных систем, основанных на инерциальном наведении и цифровых компьютерах для поддержки необходимых вычислений для определения пространственного положения.

  • Mark 14 Gunsight (1942) - улучшенная точность прицела зенитных орудий, используемых на борту военно-морских судов во время Второй мировой войны.
  • Космическое инерциальное эталонное оборудование (SPIRE) (1953) - автономная полностью инерциальная навигационная система для самолетов, возможность которой лаборатория продемонстрировала в серии летных испытаний 1953 года.
  • Система Ланинга и Цирлера (1954: также называемая «Джордж») - ранний алгебраический компилятор, разработанный Хэлом Лэнингом и Нилом Цирлером.
  • Q-наведение - метод наведения ракеты, разработанный Хэлом Лэнингом и Ричардом Баттином.
  • Компьютер наведения Apollo - первый развернутый компьютер, использующий технологию бортовых интегральных схем автономной навигации в космосе.
  • Цифровая беспроводная связь - система управления, которая позволяет пилоту управлять самолетом без механического подключения к его рулям.
  • Отказоустойчивые вычисления - использование нескольких компьютеров одновременно. Если один из компьютеров выходит из строя, другие могут взять на себя жизненно важную функцию, когда на карту поставлена ​​безопасность самолета или другой системы.
  • Микро-электромеханические ( МЭМС ) технологии - микромеханические системы, которые позволили создать первый микромеханический гироскоп.
  • Алгоритмы автономных систем - алгоритмы, обеспечивающие автономную сближение и стыковку космических аппаратов; системы для подводных аппаратов
  • GPS в сочетании с инерциальной навигационной системой - средство для обеспечения непрерывной навигации, когда транспортное средство или система попадают в среду, в которой запрещен GPS.

Информационные программы

Лаборатория Дрейпера использует часть своих ресурсов для развития и признания технических талантов с помощью образовательных программ и публичных выставок. Он также спонсирует Премию Чарльза Старка Дрейпера , одну из трех так называемых «Нобелевских премий в области инженерии», присуждаемую Национальной инженерной академией США .

Выставки

Компьютер управления Apollo на выставке Hack the Moon , с изображением пионера программного обеспечения Маргарет Гамильтон в правом верхнем углу

Время от времени в Draper Laboratory проводятся бесплатные выставки и мероприятия, открытые для публики, которые проводятся в специальных полуобщественных местах в передней части центрального атриума в главном здании Даффи. Например, в 2019 году Дрейпер представил Hack the Moon , празднование 50-летия первой высадки Аполлона на Луну 20 июля 1969 года . На выставке были представлены артефакты, такие как компьютерное оборудование Apollo Guidance Computer, разработанное в Draper, и программное обеспечение миссии, разработанное сотрудниками Draper, включая Дона Эйлза , Маргарет Гамильтон и Хэла Лэнинга . Посетители могли попрактиковаться в посадке лунного модуля Apollo на программном симуляторе, а затем попытаться приземлиться, катаясь внутри полноразмерного симулятора движения, подобного тому, который использовали астронавты для отработки реальной миссии. Завершили торжество беседы сотрудников и пенсионеров Draper, а также бесплатные публичные концерты. В ознаменование празднования был создан специальный сайт Hack the Moon .

На других выставках освещались различные аспекты исследовательских проектов, проводимых Draper, включая информацию о возможностях трудоустройства. Все посетители должны пройти через сканер безопасности, аналогичный тем, которые используются в аэропортах, но для доступа в полуобщественные зоны не требуется особого допуска .

Техническое образование

Основанная на исследованиях программа стипендиатов Draper ежегодно спонсирует около 50 аспирантов. Студентов обучают занимать руководящие должности в правительстве, вооруженных силах, промышленности и образовании. Лаборатория также поддерживает исследования, финансируемые на территории кампуса, с преподавателями и ведущими исследователями в рамках университетской программы НИОКР. Он предлагает студентам бакалавриата возможность трудоустройства и стажировки.

Лаборатория Дрейпера проводит программу STEM (наука, технология, инженерия и математика) для школьников до 12 лет, а также программу просвещения населения, которую она учредила в 1984 году. Ежегодно лаборатория распределяет более 175 000 долларов в рамках своих программ по связям с общественностью. Эти средства включают поддержку стажировок, кооперативов, участие в научных фестивалях и обеспечение туров и выступлений - это продолжение этой миссии.

С 2021 года Draper Laboratory также спонсирует Draper Spark! Lab в Национальном музее американской истории на Национальной аллее в Вашингтоне, округ Колумбия. Рабочее место для практических занятий изобретениями, которым управляет Смитсоновский институт, является бесплатным для всех посетителей и ориентировано на образовательные мероприятия для детей в возрасте от 6 до 12 лет.

Приз Дрейпера

Компания вручает Премию Чарльза Старка Дрейпера , которую присуждает Национальная инженерная академия . Он присуждается «за признание инновационных инженерных достижений и их применение на практике способами, которые привели к важным преимуществам и значительному улучшению благосостояния и свободы человечества». Достижения в любой инженерной дисциплине имеют право на получение приза в размере 500 000 долларов США.

Смотрите также

использованная литература