Draper Laboratory - Draper Laboratory

Draperova laboratoř
Typ Nezávislá, nezisková společnost
Průmysl Obranný
vesmír
Biomedicínská
energie
Založený Laboratoř vývoje důvěrných nástrojů MIT (1932)
Charles Stark Draper Laboratory, Inc. (1973)
Sídlo společnosti 555 Technology Square , Cambridge, MA 02139-3563
Počet míst
 4
Klíčoví lidé
 Dr. William LaPlante , prezident a generální ředitel (2020–)
Příjmy 571,8 milionů USD (fiskální rok 2017)
Počet zaměstnanců
 1700
webová stránka www.draper.com

Draper Laboratory je americká nezisková organizace pro výzkum a vývoj se sídlem v Cambridge, Massachusetts ; jeho oficiální název je The Charles Stark Draper Laboratory, Inc (někdy zkráceně CSDL ). Laboratoř se specializuje na návrh, vývoj a nasazení pokročilých technologických řešení problémů národní bezpečnosti, průzkumu vesmíru, zdravotnictví a energetiky.

Laboratoř byla založena v roce 1932 Charlesem Starkem Draperem z Massachusetts Institute of Technology (MIT) za účelem vývoje leteckého vybavení a začala se nazývat MIT Instrumentation Laboratory . Během tohoto období je laboratoř nejlépe známá pro vývoj počítače Apollo Guidance Computer , prvního počítače na bázi křemíkového integrovaného obvodu . V roce 1970 byl přejmenován na svého zakladatele a v roce 1973 se oddělil od MIT, aby se stal nezávislou neziskovou organizací.

Odborné znalosti laboratorního personálu zahrnují oblasti naváděcích, navigačních a řídicích technologií a systémů; počítač odolný vůči chybám; pokročilé algoritmy a softwarové systémy; modelování a simulace; a mikroelektromechanické systémy a technologie vícečipových modulů.

Dějiny

Rozhraní displeje a klávesnice (DSKY) naváděcího počítače Apollo namontovaného na ovládacím panelu velitelského modulu s indikátorem postoje letového ředitele (FDAI) výše

V roce 1932 Charles Stark Draper, profesor aeronautiky MIT, založil výukovou laboratoř pro vývoj přístrojového vybavení potřebného pro sledování, ovládání a navigaci letadel. Během druhé světové války byla Draperova laboratoř známá jako Laboratoř vývoje důvěrných nástrojů . Později byl název změněn na MIT Instrumentation Laboratory nebo I-Lab . Jak 1970, to bylo lokalizováno u 45 Osborn ulice v Cambridge.

Laboratoř byla přejmenována na svého zakladatele v roce 1970 a zůstala součástí MIT až do roku 1973, kdy se stala nezávislou, neziskovou společností pro výzkum a vývoj. Přechod na nezávislou společnost vznikl z tlaků na odprodej laboratoří MIT provádějících vojenský výzkum v době války ve Vietnamu , a to navzdory absenci úlohy laboratoře v této válce.

Jak se oddělila od MIT, laboratoř byla původně přesunuta do 75 Cambridge Parkway a dalších roztroušených budov poblíž MIT, dokud na 555 Technology Square nemohla být postavena centralizovaná nová budova o rozloze 42 000 m 2 (450 000 čtverečních stop ) . Komplex navržený společností Skidmore, Owings & Merrill (Chicago) byl otevřen v roce 1976 (později přejmenován na „Budovu Roberta A. Duffyho“ v roce 1992).

V roce 1984 byla na One Hampshire Street otevřena nově postavená budova Alberta G. Hill o rozloze 16 000 m 2 (170 000 čtverečních stop) (16 000 m 2 ), která byla přes ulici spojena s hlavní budovou prostřednictvím bezpečně uzavřeného mostu pro pěší . V roce 1989 však společnost Draper Lab byla nucena snížit počet svých zaměstnanců o více než 2 000 na polovinu kombinací předčasného odchodu do důchodu, oslabování a nedobrovolného propouštění. Toto drastické zmenšení bylo způsobeno škrty ve financování obrany a změnami pravidel vládních kontraktací. V reakci na to Draper rozšířil svou práci zaměřenou na národní obranné cíle v oblastech, jako je průzkum vesmíru, energetické zdroje, medicína, robotika a umělá inteligence, a také přijal opatření ke zvýšení své nevládní práce a nakonec se zvýšil na 1400 zaměstnanců v rámci desetiletí.

V roce 2017 byl dříve otevřený dvůr mezi původními budovami přeměněn na uzavřené vícepodlažní atrium o rozloze 1 900 m 2 (20 000 čtverečních stop ), které pojalo bezpečnostní skenování, recepci, poloveřejné prostory, dočasný výstavní prostor a zařízení pro stravování zaměstnanců. Otevřený, vzdušný vnitřní prostor navržený bostonskými architekty Elkusem Manfredim nabízí zelenou zeď a bohaté posezení.

Primárním zaměřením programů laboratoře v celé její historii byl vývoj a raná aplikace pokročilých naváděcích, navigačních a řídicích technologií (GN&C), které splňují potřeby amerického ministerstva obrany a NASA . Mezi úspěchy laboratoře patří návrh a vývoj přesných a spolehlivých naváděcích systémů pro podmořské balistické rakety a také pro naváděcí počítač Apollo, který bezesporu naváděl astronauty Apolla na Měsíc a bezpečně zpět na Zemi. Laboratoř přispěla k vývoji inerciálních senzorů, softwaru a dalších systémů pro GN&C komerčních a vojenských letadel, ponorek, strategických a taktických raket, kosmických lodí a vozidel bez posádky.

Projekt Apollo zahrnoval práci programátorů, jako jsou Don Eyles , Margaret Hamilton a Hal Laning , kteří kódovali software palubní mise pro přistání na Měsíci NASA Apollo 11 . Inerciální systémy GN&C byly ústředním bodem pro dlouhodobou navigaci ponorek balistických raket, aby se zabránilo detekci, a navádění jejich balistických raket vypuštěných na ponorky k jejich cílům, počínaje raketovým programem UGM-27 Polaris .

Místa

Společnost Draper má pobočky v několika amerických městech:

Mezi bývalá místa patří Tampa na Floridě na University of South Florida (Bioengineering Center).

Technické oblasti

Původní logo zdůrazňovalo navigační a naváděcí technologii; laboratoř od té doby diverzifikovala své oblasti odborných znalostí

Pracovníci laboratoře podle svých webových stránek uplatňují své odborné znalosti v oblasti autonomních leteckých, pozemních, námořních a vesmírných systémů; informační integrace; distribuované senzory a sítě; přesně vedená munice; biomedicínské inženýrství; chemická/biologická obrana; a modelování a řízení energetického systému. Pokud je to vhodné, Draper spolupracuje s partnery na přechodu jejich technologie na komerční produkci.

Laboratoř zahrnuje sedm oblastí technické odbornosti:

  • Strategické systémy: Aplikace odbornosti v oblasti navádění, navigace a řízení (GN&C) na hybridní technologie podporované GPS a na zabezpečení podmořské navigace a strategických zbraní.
  • Space Systems: Jako „partner technologického vývoje NASA a přechodový agent pro průzkum planet“, vývoj GN&C a vysoce výkonné vědecké nástroje. Odborné znalosti se rovněž týkají kosmického sektoru národní bezpečnosti.
  • Taktické systémy: Vývoj platforem námořní rozvědky, dohledu a průzkumu (ISR), navádění miniaturizované munice, vedené letecké dodávací systémy pro materiál, systémy fyzické a rozhodovací podpory zaměřené na vojáky, zabezpečená elektronika a komunikace a včasné naváděcí pokyny pro zapojení protiraketové obrany .
  • Speciální programy: Vývoj konceptů, prototypování, výroba za nízké ceny a podpora v terénu pro první systémy svého druhu spojená s dalšími technickými oblastmi.
  • Biomedicínské systémy: Mikroelektromechanické systémy (MEMS), mikrofluidní aplikace lékařské technologie a miniaturizovaná chytrá lékařská zařízení.
  • Air Warfare a ISR: Inteligentní technologie pro aplikace pro cílení a plánování cílů.
  • Energetická řešení: Správa spolehlivosti, účinnosti a výkonu zařízení v komplexních systémech výroby a spotřeby energie, včetně uhelných elektráren nebo Mezinárodní vesmírné stanice .

Pozoruhodné projekty

USS  George Washington  (SSBN-598) se spoléhal na inerciální navigace a zároveň ponořen a jeho UGM-27 Polaris rakety spoléhal na inerciální navádění najít své cíle.

Oblasti projektu, které se objevily ve zprávách, odkazovaly na hlavní odborné znalosti Draper Laboratory v oblasti inerciální navigace , a to již v roce 2003. V poslední době se důraz přesunul na výzkum inovativních témat vesmírné navigace, inteligentních systémů, které se při autonomním rozhodování spoléhají na senzory a počítače, a zdravotnická zařízení v nanoúrovni.

Inerciální navigace

Pracovníci laboratoře studovali způsoby, jak integrovat vstupy z Global Positioning System (GPS) do navigace na bázi inerciálního navigačního systému , aby se snížily náklady a zlepšila spolehlivost. Vojenské inerciální navigační systémy (INS) se nemohou zcela spoléhat na dostupnost satelitů GPS pro korekci kurzu (což je nutné kvůli postupnému růstu chyb nebo „driftu“) kvůli hrozbě nepřátelského blokování nebo rušení signálu. Méně přesný setrvačný systém obvykle znamená méně nákladný systém, ale takový, který vyžaduje častější rekalibraci polohy z jiného zdroje, jako je GPS. Systémy, které integrují GPS s INS, jsou klasifikovány jako „volně spojené“ (před rokem 1995), „pevně spojené“ (1996–2002) nebo „hluboce integrované“ (od roku 2002) v závislosti na stupni integrace hardwaru. V roce 2006 se předpokládalo, že mnoho vojenských a civilních použití bude integrovat GPS s INS, včetně možnosti dělostřeleckých granátů s hluboce integrovaným systémem, který vydrží 20 000 g při výstřelu z děla.

Vesmírná navigace

Provoz Mezinárodní vesmírné stanice využívá několik technologií Draper Laboratory.

V roce 2010 Draper Laboratory a MIT spolupracovaly s dalšími dvěma partnery jako součást týmu Next Giant Leap, aby získali grant na dosažení ceny Google Lunar X Prize vyslali prvního soukromě financovaného robota na Měsíc. Aby se robot kvalifikoval na cenu, musí cestovat 500 metrů po měsíčním povrchu a přenášet video, obrázky a další data zpět na Zemi. Tým vyvinul „Pozemní umělý lunární a redukovaný gravitační simulátor“ pro simulaci operací ve vesmírném prostředí pomocí naváděcího, navigačního a řídicího algoritmu Draper Laboratory pro snížení gravitace.

V roce 2012 vyvinuli inženýři Draper Laboratory v Houstonu v Texasu novou metodu otáčení Mezinárodní vesmírné stanice , nazývanou „optimální pohonný manévr“, která oproti předchozí praxi dosáhla úspory 94 procent. Algoritmus zohledňuje vše, co ovlivňuje pohyb stanice, včetně „polohy jejích trysek a účinků gravitace a gyroskopického točivého momentu“.

V roce 2013 vyvíjel Draper v osobním měřítku oděv pro použití na oběžné dráze, který využívá gyroskopy s řízeným momentem (CMG), které vytvářejí odpor vůči pohybu končetin astronauta, což pomáhá zmírňovat úbytek kostní hmoty a udržovat svalový tonus při dlouhodobém letu do vesmíru. Tato jednotka se nazývá Variable Vector Countermeasure suit nebo V2Suit, která využívá CMG také k pomoci při rovnováze a koordinaci pohybu vytvářením odporu vůči pohybu a umělého pocitu „dolů“. Každý modul CMG má velikost balíčku karet. Koncept spočívá v tom, že se oděv nosí „v předstihu k přistání zpět na Zemi nebo pravidelně během dlouhé mise“.

V roce 2013 tým Draper/MIT/NASA vyvíjel také skafandr rozšířený o CMG, který by rozšířil současné možnosti NASA „Simplified Aid for EVA Rescue“ (SAFER)-skafandr navržený pro „propulsivní sebezáchranu“, když astronaut se omylem odpojí od kosmické lodi. Oblek rozšířený o CMG by poskytoval lepší protisíly, než je nyní k dispozici, když astronauti používají nástroje v prostředí s nízkou gravitací. Counterforce je na Zemi k dispozici z gravitace. Bez ní by aplikovaná síla vedla ke stejné síle v opačném směru, buď v přímce, nebo v rotaci. Ve vesmíru by to mohlo astronauta vymknout kontrole. V současné době se astronauti musí připevnit na povrch, na kterém se pracuje. CMG by nabídly alternativu k mechanickému spojení nebo gravitační síle.

Komerční lunární užitečné zatížení

Další informace: Komerční lunární užitečné zatížení

29. listopadu 2018 byla společnost Draper Laboratory společností NASA jmenována dodavatelem komerčních lunárních užitečných zátěží, díky čemuž je způsobilá ucházet se o dodání vědeckých a technologických užitečných zatížení na Měsíc pro NASA. Společnost Draper Lab formálně navrhla lunární přistávací modul s názvem Artemis-7 . Společnost vysvětlila, že číslo 7 označuje 7. lunární přistávací misi, do které by se zapojila Draperova laboratoř, po šesti přistáních na Měsíci Apollo. Koncept landeru je založen na návrhu japonské společnosti s názvem ispace , která je v tomto podniku členem týmu společnosti Draper. Mezi subdodavatele v tomto podniku patří General Atomics, která bude vyrábět přistávací modul, a Spaceflight Industries , která zajistí přistávací služby pro přistávací modul.

Inteligentní systémy

Výzkumníci Draper vyvíjejí systémy umělé inteligence, které umožňují robotickým zařízením učit se ze svých chyb. Tato práce je na podporu prací financovaných DARPA , týkajících se bojového systému Army Future . Tato schopnost by autonomnímu pod palbou umožnila zjistit, že tato cesta je nebezpečná, a najít bezpečnější trasu nebo rozpoznat její stav paliva a stav poškození. V roce 2008 Paul DeBitetto údajně vedl v této snaze skupinu kognitivní robotiky v laboratoři.

V roce 2009 americké ministerstvo pro vnitřní bezpečnost financovalo Draper Laboratory a další spolupracovníky, aby vyvinuli technologii pro detekci potenciálních teroristů pomocí kamer a dalších senzorů, které monitorují chování lidí, kteří jsou prověřováni. Projekt se nazývá Future Attribute Screening Technology (FAST). Žádostí by byly bezpečnostní kontrolní body k posouzení kandidátů pro následný screening. Na demonstraci technologie projektový manažer Robert P. Burns vysvětlil, že systém je navržen tak, aby rozlišoval mezi zlovolným úmyslem a benigními projevy tísně tím, že využívá rozsáhlý výzkum těla v psychologii podvodu.

Od roku 2010 vedl Neil Adams, ředitel programů taktických systémů pro Draper Laboratory, systémovou integraci programu NARA (NARA) Nano Aerial Vehicle Agency (NAV) Defense Advanced Research Projects Agency k miniaturizaci létajících průzkumných platforem. To zahrnuje správu vozidla, komunikační a pozemní řídicí systémy umožňují NAV fungovat autonomně a přenášet užitečné zatížení senzoru k dosažení zamýšleného poslání. NAVS musí pracovat v městských oblastech s malou nebo žádnou dostupností signálu GPS, spoléhat se na senzory a systémy založené na vidění.

Lékařské systémy

Mikrofluidní zařízení mají potenciál pro implantaci u lidí k provádění nápravných terapií.

V roce 2009 Draper spolupracoval s ošetřovnou očí a uší Massachusetts na vývoji implantovatelného zařízení pro podávání léků, které „spojuje aspekty mikroelektromechanických systémů neboli MEMS s mikrofluidikou, která umožňuje přesnou kontrolu tekutin ve velmi malých měřítcích“. Zařízení je „flexibilní stroj naplněný tekutinou“, který používá trubice, které se rozpínají a smršťují, aby podporovaly tok tekutiny kanály s definovaným rytmem, poháněné mikroskopickým čerpadlem, které se přizpůsobuje vstupu prostředí. Systém financovaný National Institutes of Health může léčit ztrátu sluchu dodáním „malého množství tekutého léku do velmi delikátní oblasti ucha, implantát umožní regeneraci smyslových buněk a v konečném důsledku obnoví sluch pacienta“.

Od roku 2010 vyvíjí Heather Clark z Draper Laboratory metodu pro měření koncentrace glukózy v krvi bez píchání prstů. Metoda využívá nano-senzor, jako miniaturní tetování, jen několik milimetrů napříč, který pacienti aplikují na kůži. Senzor ke stanovení koncentrací glukózy používá rozsahy blízkého infračerveného nebo viditelného světla. Normálně, aby si diabetici mohli regulovat hladinu glukózy v krvi, musí měřit hladinu glukózy v krvi několikrát denně tak, že odeberou kapku krve získanou špendlíkem a vloží vzorek do přístroje, který dokáže měřit hladinu glukózy. Nanosenzorový přístup by tento proces nahradil.

Významné inovace

Pracovníci laboratoře pracovali v týmech na vytvoření nových navigačních systémů založených na inerciálním navádění a na digitálních počítačích, které podporovaly nezbytné výpočty pro určování prostorového určování polohy.

  • Mark 14 Gunsight (1942)-Vylepšená přesnost zaměřování protiletadlových děl používaných na palubách námořních plavidel ve druhé světové válce
  • Space Inertial Reference Equipment (SPIRE) (1953)-Autonomní plně inerciální navigace pro letadla, jejichž proveditelnost laboratoř prokázala v sérii letových testů z roku 1953.
  • Systém Laning a Zierler (1954: také nazýván „George“) - raný algebraický kompilátor, který navrhli Hal Laning a Neal Zierler.
  • Q-navádění- metoda navádění raket, kterou vyvinuli Hal Laning a Richard Battin
  • Naváděcí počítač Apollo - první nasazený počítač využívající technologii integrovaných obvodů integrované autonomní navigace ve vesmíru
  • Digitální fly-by-wire- řídicí systém, který umožňuje pilotovi ovládat letadlo, aniž by byl mechanicky připojen k řídicím plochám letadla
  • Počítače odolné proti chybám-Použití několika počítačů pracuje na úkolu současně. Pokud některý z počítačů selže, ostatní mohou převzít životně důležitou funkci, když je v sázce bezpečnost letadla nebo jiného systému.
  • Mikromelektromechanické ( MEMS ) technologie-Mikromechanické systémy, které umožnily první mikromechanický gyroskop.
  • Algoritmy autonomních systémů - Algoritmy, které umožňují autonomní setkání a ukotvení kosmických lodí; systémy pro podvodní vozidla
  • GPS ve spojení s inerciálním navigačním systémem-prostředek umožňující nepřetržitou navigaci, když se vozidlo nebo systém dostane do prostředí s odepřením GPS

Terénní programy

Laboratoř Draper aplikuje část svých zdrojů na rozvoj a rozpoznávání technických talentů prostřednictvím vzdělávacích programů a veřejných výstav. Je také sponzorem Ceny Charlese Starka Drapera , jedné ze tří takzvaných „Nobelových cen za inženýrství“ spravovaných americkou Národní akademií inženýrství .

Výstavy

Naváděcí počítač Apollo na výstavě Hack the Moon s obrázkem průkopnice softwaru Margaret Hamiltonové vpravo nahoře

Laboratoř Draper čas od času pořádá bezplatné výstavy a akce otevřené veřejnosti, které jsou prezentovány ve speciálních poloveřejných prostorách v přední části centrálního prostoru atria v hlavní budově Duffy. Například v roce 2019 Draper představil Hack the Moon , oslavu 50. výročí prvního přistání měsíce Apollo 20. července 1969 . Na výstavě byly představeny artefakty, jako například počítačový hardware Apollo Guidance vyvinutý společností Draper a software mise vyvinutý zaměstnanci společnosti Draper včetně Don Eyles , Margaret Hamilton a Hal Laning . Návštěvníci si mohli procvičit přistání lunárního modulu Apollo na softwarovém simulátoru a poté se pokusit přistát za jízdy v simulátoru pohybu v plné velikosti, jaký používali astronauti k procvičování skutečné mise. Slavnosti uzavřely rozhovory zaměstnanců a důchodců Draperů a bezplatné veřejné koncerty. Na památku oslav byla vytvořena speciální webová stránka Hack the Moon .

Další výstavy zdůraznily různé aspekty výzkumných projektů prováděných ve společnosti Draper, včetně informací o pracovních příležitostech. Všichni návštěvníci musí projít bezpečnostním skenerem podobným tomu, který se používá na letištích, ale pro přístup do poloveřejných prostor nejsou vyžadována zvláštní bezpečnostní povolení .

Technické vzdělání

Výzkumný Draper Fellow Program každoročně sponzoruje asi 50 postgraduálních studentů. Studenti jsou vyškoleni k obsazení vedoucích pozic ve vládě, armádě, průmyslu a vzdělávání. Laboratoř také podporuje výzkum financovaný na akademické půdě s fakultními a hlavními vyšetřovateli prostřednictvím programu výzkumu a vývoje univerzity. Nabízí zaměstnání a stáže vysokoškoláků.

Draper Laboratory provádí STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics) K – 12 a program komunitního vzdělávání, který založila v roce 1984. Laboratoř každoročně distribuuje více než 175 000 dolarů prostřednictvím svých programů pro vztahy s komunitou. Tyto fondy zahrnují podporu stáží, kooperací, účast na vědeckých festivalech a zajišťování výletů a řečníků-je rozšířením této mise.

Od roku 2021 společnost Draper Laboratory také sponzoruje laboratoř Draper Spark! Lab v Národním muzeu americké historie na National Mall ve Washingtonu, DC. Praktický pracovní prostor pro invenci provozovaný Smithsonian Institution je pro všechny návštěvníky zdarma a zaměřuje se na vzdělávací aktivity pro děti ve věku 6 až 12 let.

Draperova cena

Společnost je držitelem Ceny Charlese Starka Drapera , kterou spravuje Národní akademie inženýrství . Uděluje se „za uznání inovativních technických úspěchů a jejich redukci na praxi způsoby, které vedly k důležitým přínosům a výraznému zlepšení blahobytu a svobody lidstva“. Úspěchy v jakékoli inženýrské disciplíně mají nárok na výhru 500 000 $.

Viz také

Reference