La sfida del rendering profondo

Le missioni di rendering con comete e asteroidi rappresentano alcuni degli sforzi più impegnativi tecnicamente nella scienza planetaria. A differenza delle missioni flyby che catturano brevi scorci mentre passano, l'astronave rendezvous deve corrispondere alla traiettoria di un corpo piccolo e irregolarmente sagomato che spesso ha un campo gravitazionale scarsamente caratterizzato. Questi oggetti sono residui del sistema solare precoce, e studiarli in modo da vicino possono rivelare indizi su un pianeta di estrema gravità.

Comprendere l'ambiente operativo

Temperatura Estremi e Ciclismo Termico

Un veicolo spaziale in orbita intorno ad uno di questi corpi può sperimentare la radiazione solare diretta da un lato mentre l'altro lato affronta lo spazio profondo a quasi lo zero assoluto. Per gli oggetti che ruotano lentamente, come molti asteroidi, le temperature superficiali possono oscillare da ben oltre 100°C in luce solare a sotto -150°C in ombra. Il ciclismo termico di questa magnitudine pone enorme stress su materiali, saldatori di calore e componenti elettronici.

Avaria Micrometeoroide e Debris

Anche un granello di sabbia che colpisce una sonda a diversi chilometri al secondo può causare danni significativi. Gli asteroidi sono spesso coperti di regolith, e l'atto di orbita o sbarco può dare il via a detriti. Spacecraft deve essere blindato in aree critiche con scudi di Whipple o strutture simili di paraurti che si rompono e disperdono le particelle di impatto prima che raggiungano le particelle sensibili.

Ambiente di radiazione

Oltre alla magnetosfera protettiva della Terra, i raggi cosmici galattici e gli eventi delle particelle solari costituiscono una minaccia persistente per l'elettronica e la salute umana sulle missioni equipaggiate. Per la sonda robotica, la preoccupazione primaria è gli effetti di un singolo evento in cui le particelle ad alta energia causano delle inondazioni, la chiusura o il danno permanente ai semiconduttori.

Progettazione strutturale e materiale

Materiali leggeri ma durevoli

Ogni chilogrammo di massa richiede un notevole propellente per accelerare, quindi i progettisti di veicoli spaziali sono sempre alla ricerca di materiali più leggeri. Leghe di alluminio-litoio, titanio e compositi in fibra di carbonio offrono rapporti ad alta resistenza-peso.Per le missioni di asteroidi, dove la sonda può essere necessario toccare giù o ancorare alla superficie, i materiali devono anche resistere all'abrasione da superfici affilate e robuste.

Strutture di grande resistenza[

La missione OSIRIS-REx ha usato uno scudo Whipple a cinque strati sulla sua capsula di ritorno del campione per proteggere i campioni durante il reinserimento.Per l'autobus di veicolo spaziale stesso, l'elettronica critica e i serbatoi di propellant sono spesso posizionati in una zona di nucleo protetta, mentre i componenti meno vitali sono posizionati verso l'esterno per assorbire gli impatti.

Sistemi di potenza per le missioni a lungo termine

Generatori termoelettrici e argini solari

Le missioni che viaggiano verso il sistema solare esterno, come la missione Rosetta di comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, spesso si affidano ai generatori termoelettrici di radioisotopo perché la luce solare diventa troppo debole per i pannelli solari a grandi distanze dal sole.

Gestione della batteria e della potenza

Le missioni a profondità richiedono un deposito energetico affidabile per periodi di eclissi o quando la sonda è manovrabile. Le batterie agli ioni di litio ad alta densità energetica sono comuni, ma devono essere accuratamente gestite termicamente per evitare il surriscaldamento. I sistemi di gestione dell'energia utilizzano il massimo monitoraggio dei punti di potenza per estrarre la maggior parte dell'energia dagli array solari e distribuire energia a riscaldatori, strumenti e sistemi di propulsione.

Propulsione e progettazione traiettoria

Propulsione ionica ed elettrica

I sistemi di propulsione elettrica, come i propulsori ad effetto Hall e i motori a ioni grigliati, offrono un impulso molto specifico, il che significa che consumano meno propellente per un determinato cambiamento di velocità. La missione Dawn ha usato la propulsione ionica per entrare in orbita intorno a Vesta e Ceres, dimostrando la fattibilità di questa tecnologia per l'incontro con gli asteroidi.

Propulsione chimica per l'uomo

Per l'inserimento orbitale, l'atterraggio o la raccolta di campioni, i sistemi di propulsione chimica forniscono un'elevata spinta che permette manovre rapide. I motori bipropellanti che utilizzano combustibili ipergolici come l'idrazina monometil e il tetrossido di azoto sono affidabili e possono essere riavviati molte volte.

Guida, navigazione e controllo

Comete e asteroidi hanno campi di gravità estremamente deboli e lumpy, rendendo la determinazione dell'orbita tradizionale dalla Terra inaffidabile. La navicella spaziale deve usare la navigazione ottica, che si confronta con le immagini di bordo del bersaglio ai campi stellari noti, per stimarne la posizione e la velocità. I sistemi di navigazione algoritmici automatici[[PL 1:]]] possono regolare la traiettoria in tempo reale senza aspettare i comandi di terra, che è essenziale

Attitude Control e stabilità

Le ruote di reazione sono il meccanismo primario per ruotare la sonda, ma devono essere periodicamente desaturite utilizzando propulsori, che consuma propellant. Alcuni veicoli spaziali, come la missione Hayabusa2, utilizzano una combinazione di ruote di reazione e piccoli propulsori per un controllo fine. Per le missioni che richiedono il contatto con la superficie, come la raccolta di campioni, il veicolo deve essere dcraft per mantenere un atteggiamento stabile.

Comunicazione e gestione dei dati

Reti di comunicazione spaziale profonda

La rete spaziale della NASA Deep Space Network utilizza antenne di 70 metri e 34 metri di diametro in California, Spagna e Australia per mantenere la copertura continua.

Reti di collegamento

I protocolli Internet standard come TCP/IP assumono bassa latenza e connettività continua, che non esistono in spazi profondi. Il collegamento tra le reti a distanza (DTN) memorizza i pacchetti di dati a nodi intermedi e li inoltra quando un collegamento diventa disponibile. Questo approccio store-and-forward garantisce che i dati raggiungano la sua destinazione anche se il collegamento è intermittente o ritardato da molti minuti o ore.

Redundancy e tolleranza di guasto

Sottosistemi ridondanti

La redundancy è la colonna portante della resilienza delle navi spaziali. I sottosistemi critici come il potere, la comunicazione, il controllo dell'atteggiamento e la propulsione sono tipicamente duplicati. In un'architettura a doppia corda, ogni stringa contiene un insieme completo di componenti, e la seconda stringa può completamente prendere il sopravvento se il primo fallisce.

Affidabilità e gestione degli errori del software

Il software di monitoraggio della salute del sistema e può ripristinare o riconfigurare i componenti quando vengono rilevate anomalie. I timer di Watchdog assicurano che il computer non si blocca in un loop infinito. La memoria del codice di correzione degli errori (ECC) corregge le inversioni a singolo bit causate dalla radiazione. Gli aggiornamenti del software possono essere caricati dalla Terra per correggere i bug o migliorare le prestazioni, ma la sonda deve essere in grado di operare in modo sicuro senza intervento di terra per periodi prolungati.

Modalità sicura e pianificazione della coerenza

Quando un'anomalia viene rilevata che la sonda non può risolvere immediatamente, entra in una configurazione [ sicura]. In modalità sicura, la sonda indica i suoi pannelli solari verso il sole, stabilisce un collegamento di comunicazione a basso tasso con la Terra e aspetta i comandi a terra. Il design della modalità sicura deve essere incredibilmente robusto, utilizzando solo i componenti più affidabili si verificano rapidamente gli scenari di risposta ano.

Test e convalida prima del lancio

Test di vuoto e vibrazione termica

Le prove espongono la sonda agli estremi della temperatura e alle condizioni di pressione che si verificheranno durante la missione. Le vibrazioni e i test acustici simulano le condizioni violente del lancio del razzo, dove la sonda deve sopravvivere ad alti carichi g e rumori acustici. Le strutture sono progettate con margini di sicurezza superiori ai carichi attesi e verificano che i margini sono adeguati.

Test di radiazione

I componenti elettronici sono testati esponendoli alle sorgenti di radiazioni per determinare la loro tolleranza al dosaggio ionizzante totale e agli effetti a singolo evento. I componenti che non soddisfano i requisiti sono sostituiti da versioni a radiazione indurita. Alcune missioni utilizzano componenti commerciali off-the-shelf (COTS)]] componenti che non sono intrinsecamente induriti da radiazioni ma possono essere schermati o utilizzati in configurazioni ridondanti.

Integrazione e verifica del sistema-Level

Tutti i sottosistemi devono lavorare insieme in modo impeccabile. I test di integrazione esercitano il sistema di gestione dei dati e dei comandi, la gestione della potenza, il controllo dell'atteggiamento e la propulsione come un insieme integrato. Le simulazioni software-in-the-loop e hardware-in-the-loop provano la risposta della sonda per gli input dei sensori simulati.

Lezioni da Missioni storiche

Rosetta e Philae

La missione Rosetta dell'Agenzia Spaziale Europea era la prima ad incontrarsi con una cometa e ad schierare una lavanda, Philae, sulla sua superficie. Il design di Rosetta includeva grandi pannelli solari che fornivano energia anche a 5,3 unità astronomiche dal sole.

Hayabusa e Hayabusa2

Le missioni Hayabusa di JAXA hanno dimostrato sia il potenziale che le sfide del ritorno dei campioni di asteroidi. L'originale Hayabusa ha sofferto di guasti dei propulsori, interruzioni di comunicazione, e una perdita di atteggiamento quasi magra durante il suo approccio a Itokawa. La missione di Hayabusa2 ha imparato da queste esperienze e ha incorporato una migliore navigazione, propulsione e tolleranza dei guasti.

OSIRIS-REx e Bennu

La missione OSIRIS-REx della NASA a Bennu ha rivelato che la superficie dell'asteroide era molto più robusta di quanto previsto, richiedendo modifiche al piano di raccolta del campione. Il meccanismo di acquisizione del campione Touch-And-Go (TAG) della sonda ha usato un braccio simile a quello che ha contattato brevemente la superficie per raccogliere campioni a sorpresa.

Le direzioni e le tecnologie emergenti

Comunicazioni laser

I sistemi di comunicazione ottici che utilizzano laser possono trasmettere dati a tassi di ordini di grandezza superiori ai sistemi di radiofrequenza. La missione Psyche della NASA dimostrerà le comunicazioni laser a spazio profondo oltre la luna.Per missioni asteroidi, i tassi di dati più elevati consentirebbero una trasmissione più frequente di immagini ad alta risoluzione e dati scientifici, riducendo il peso sullo storage a bordo e consentendo il processo decisionale in tempo reale in alcuni casi.

Concetti di propulsione avanzata

La propulsione termica nucleare e la propulsione elettrica nucleare sono studiate per la loro capacità di ridurre i tempi di viaggio a obiettivi lontani. Questi sistemi potrebbero consentire alle missioni di comete e asteroidi nel sistema solare esterno che sono attualmente impraticabili. Le vele solari potrebbero fornire spinta continua senza propellente, permettendo agli aerei di cambiare le orbite lentamente nel corso di molti anni.

Intelligenza artificiale e autonomia

L'apprendimento automatico e l'AI sono integrati in sistemi di veicoli spaziali per compiti come il riconoscimento del terreno, l'elusione dei rischi e l'analisi della scienza autonoma. Il Autonomo Sciencecraft Experiment ha già dimostrato il processo decisionale a bordo per il satellite Earth Observing One. Per le missioni degli asteroidi, l'AI può aiutare la sonda a identificare le caratteristiche interessanti, priorità di raccolta dei dati e regolare il piano di osservazione del terreno troppo veloce, e regolare il suo piano di osservazione senza aspettare i comandi di sbarco della missione di volontaneo di risposta.

Utilizzo delle risorse in-Situ

Le missioni future possono utilizzare risorse del corpo stesso di destinazione. I materiali asteroid o comet potrebbero produrre propellente, acqua o anche elementi strutturali. Per missioni a lunga durata o avamposti permanenti, l'utilizzo delle risorse in-situ potrebbe ridurre la quantità di massa che deve essere portata dalla Terra.

Conclusioni

Progettare una sonda resiliente per missioni comete e asteroidi rendezvous richiede un approccio multiforme che si rivolge alla gestione termica, alla protezione dalle radiazioni, alla resistenza agli urti, alla navigazione autonoma e alla robusta tolleranza ai difetti.