La navicella spaziale Orion si dirige verso la Luna, con l'aiuto del razzo SLS

Il programma Artemis della NASA punta alla presenza a lungo termine sulla Luna


È dal 1972, ovvero quasi 50 anni fa, che l’uomo non mette più piede sulla Luna ma, se tutto va come previsto, ci torneremo a breve. Al momento la NASA sta sviluppando il programma Artemis, che prende il nome da Artemide, la dea greca della caccia e della Luna. La missione Artemis I senza equipaggio servirà a testare un nuovo razzo, lo Space Launch System (SLS). L’SLS è il razzo più potente che sia mai stato costruito, capace di generare una spinta da 39,1 meganewton (quasi 4 milioni di kg).

Ma l’SLS non è che una parte del progetto tecnologico di Artemis. In cima al razzo SLS, alto più di un palazzo di 30 piani, ci sarà Orion, capace di trasportare sei persone verso la Luna e oltre. È progettata per viaggiare nello spazio profondo e proteggere l’equipaggio dalle sue condizioni estreme. L’SLS porterà Orion in orbita lunare.

Artemis I è un passo importante verso l’esplorazione lunare e la futura costruzione di un campo base sulla Luna; Artemis II ripeterà il viaggio un anno dopo, ma con la presenza di astronauti a bordo della navicella Orion e Artemis III porterà la prima donna e la prima persona di colore sulla superficie della Luna nel 2024. Le missioni Artemis future serviranno a costruire infrastrutture sulla Luna, per consentire l’esplorazione, lo sviluppo industriale, l’innovazione e dare prova delle capacità che potrebbero portarci su Marte.

La dea greca Artemide è nata poco prima del suo gemello Apollo, ma il programma Artemis della NASA è più giovane, e intelligente, di Apollo. I computer che si trovavano a bordo di Apollo 11, che portò i primi uomini sulla Luna nel 1969, avevano 4 KB di RAM. La memoria degli iPhone più recenti è milioni di volte più grande e i computer utilizzati per sviluppare ed eseguire il software per Artemis ne hanno molta di più. Ma non è solo una questione di memoria. Gli ingegneri dispongono di nuove suite di strumenti che li aiutano a lavorare in modo più smart, ottimizzando così il processo di progettazione.

Lo Space Launch System della NASA è alto quasi 100 metri. Il core stage misura circa 64,6 metri. La navicella Orion si trova sulla sommità del razzo ed è alta circa 3 metri, ha un diametro di circa 5 metri e un volume abitabile di circa 9 metri cubi.

Illustrazione artistica dello Space Launch System della NASA. (Crediti dell’immagine: Lockheed Martin Corporation)

Dietro le quinte

Dopo la laurea, Hector Hernandez è entrato a far parte di Lockheed Martin per lavorare su Orion. “Stiamo cercando di stabilire una presenza a lungo termine sulla Luna,” afferma, “per prepararci a una sfida ancora più grande, ovvero andare su Marte. È questo che ci interessa davvero.”

Hernandez è l’analista principale che si occupa del sistema di alimentazione di Orion. Il suo team usa il software per progettare tutti i componenti hardware in modo da prevedere ed evitare eventuali errori. “Quello che stiamo facendo è garantire che tutti i componenti connessi al sistema e il sistema stesso siano in grado di funzionare correttamente insieme,” afferma.

“Stiamo cercando di stabilire una presenza a lungo termine sulla Luna per prepararci a una sfida ancora più grande, ovvero andare su Marte. È questo che ci interessa davvero.”

Hector Hernandez, analista principale per il sistema di alimentazione di Orion della NASA

Il sistema di alimentazione comprende batterie, pannelli solari, computer, cavi e connessioni (nodi). Il successo della missione e la sopravvivenza dell’equipaggio dipendono dalla qualità dell’alimentazione, per cui è essenziale accertarsi che tutti i componenti ricevano la tensione giusta ed evitare “ondulazioni” significative a livello di tensione. I modelli aiutano il team a stabilire le dimensioni dei vari elementi e a determinarne i collegamenti. I modelli aiutano anche a monitorare una missione e a prendere decisioni importanti. Se qualcosa va storto sul veicolo spaziale vero e proprio, il team può simulare il guasto e osservare la reazione del modello, suggerendo così agli operatori della missione di interrompere la missione o di prendere misure diverse.

Hernandez usa anche Simulink®, grazie al quale ha sviluppato un modello chiamato Spacecraft Power Capability (SPoC). Molti dei blocchi del modello sono stati creati con Simscape Electrical™, che serve a modellare la fisica dei sistemi elettrici. Ci sono blocchi per le batterie, le celle solari e così via. In precedenza si utilizzavano i fogli di calcolo di Microsoft® Excel®. Hernandez li usa ancora per rispondere rapidamente ad alcune domande, ma questa soluzione non consente di modellare sistemi multi-nodo, caratterizzati dalla presenza di svariate giunzioni di cavi. “Quando dobbiamo rispondere a domande più complesse, ecco che entra in gioco lo SPoC,” afferma.

Navicella Orion all’interno di un locale di grandi dimensioni.

Navicella Orion all’interno dell’Operations and Checkout Building nel Kennedy Space Center della NASA. (Crediti dell’immagine: Lockheed Martin Corporation)

Aggiunge poi, “Personalmente preferisco ragionare per immagini.” Spostare riquadri permette di percepire in modo più intuitivo quali sono i legami tra i vari componenti. Grazie a Simulink non si deve avere a che fare con tante righe di codice di basso livello. Inoltre, i modelli sono più comprensibili per gli altri e i creatori possono nascondere parte dell’IP all’interno dei blocchi. “Consente di lasciare gran parte del lavoro sporco dietro le quinte”, dice Hernandez.

Per ora lo SPoC ha superato tutti i test di valutazione delle prestazioni. Il suo comportamento corrisponde a quello dell’Orion fisico e ogni volta che il team riceve dati di test effettivi da Orion, li utilizza per mettere a punto il modello. “Per quel che mi riguarda, la prossima fase consiste nel far sì che la missione Artemis I sia portata a termine con successo,” afferma. “Poi si passerà ad Artemis II.”

La gestione guasti è essenziale per la buona riuscita della missione per la NASA

Sono tante le cose che potrebbero andare storte nel viaggio verso la Luna. Per progettare l’SLS, gli ingegneri e gli scienziati della NASA hanno creato un modello di software per simulare gli algoritmi più importanti per la missione, che monitorano la navicella in modo tale da individuare potenziali guasti che potrebbero rivelarsi pericolosi per le attrezzature e per il futuro equipaggio.

Stando a una relazione pubblicata dagli scienziati e gli ingegneri che costituiscono il team addetto all’SLS, una verifica affidabile degli algoritmi di Mission and Fault Management (M&FM) è essenziale per la buona riuscita della missione. Il team ha descritto il processo di progettazione nel documento intitolato “Modeling in the Stateflow Environment to Support Launch Vehicle Verification Testing for Mission and Fault Management Algorithms in the NASA Space Launch System”.

In queste pagine si afferma che “Prevenire il verificarsi di errori nei sistemi di gestione della missione (compresi i guasti) è di fondamentale importanza per il team di test M&FM che lavora sugli algoritmi del sistema cruciali per la sicurezza per l’implementazione dell’FSW [software di volo] per il programma SLS”.

Sono tante le cose che possono andare storte all’interno di un razzo, compresi errori che potrebbero essere fatali per il veicolo o per le persone a bordo. Il lavoro del team M&FM del programma Artemis consiste nello sviluppare algoritmi software per il razzo in grado di rilevare eventuali anomalie. Poi, il team di controllo a terra potrà decidere, ad esempio, se arrestare la sequenza di lancio o se interrompere l’intera missione.

Invece di sviluppare e testare gli algoritmi sul razzo vero e proprio, il team M&FM di Artemis ha creato una simulazione software dell’SLS chiamata State Analysis Model (SAM). Una volta raggiunti livelli prestazionali soddisfacenti degli algoritmi di monitoraggio dei guasti su questo razzo virtuale, il team di sviluppo software li codifica in un linguaggio caricabile sull’SLS.

Il team modella ogni singolo componente avionico. È un guazzabuglio di componenti. Ad esempio, è presente un’unità di distribuzione e controllo della potenza (PDCU), una scatola contenente i commutatori elettrici delle altre unità, come l’unità di navigazione inerziale ridondante, la centralina idraulica (HPU) e i controller degli attuatori TVC (TAC). I TAC ricevono l’alimentazione elettrica dalla PDCU e, a loro volta, controllano idraulicamente gli attuatori di controllo del vettore di spinta (TVC), che puntano ai motori. Ci sono anche altre unità che controllano le pompe e le valvole per i motori.

Il team M&FM potrebbe teoricamente creare un modello dettagliato della fisica di tutto l’insieme, ma sarebbe molto lento. In alternativa, viene utilizzato un modello costituito da una serie di riquadri collegati da linee, costruito in Stateflow®. Il modello è chiamato macchina a stati e ciascun riquadro rappresenta un potenziale stato di un determinato aspetto del sistema; un riquadro potrebbe rappresentare la valvola in stato aperto mentre un altro lo stato chiuso. Le linee rappresentano le transizioni tra uno stato e l’altro, attivate da eventi specifici. Guardando all’interno di un riquadro si vedrà del codice scritto in MATLAB® o un modello grafico in software Simulink che descrive lo stato e trasmette quelle informazioni ad altri componenti.

Lancio del razzo Space Launch System (S L S) tra le nuvole.

L’SLS è un lanciatore pesante avanzato, che offrirà nuove possibilità alla scienza e all’esplorazione umana. (Crediti dell’immagine: NASA/MSFC)

Il diagramma Stateflow descrive la logica del sistema. I modelli Stateflow e Simulink hanno entrambi l’aspetto di un insieme di riquadri collegati da linee, ma agiscono a livelli diversi. “Poniamo il caso che stiate camminando lungo una strada e a un certo punto vi troviate a un incrocio,” dice Ossi Saarela, responsabile del segmento spazio in MathWorks. “Stateflow deciderà se girare a destra o a sinistra, mentre Simulink vi aiuterà a mantenere l’equilibrio.”

Il team ha anche un modello basato sulla fisica, il System Integration Lab (SIL). Stando al documento della NASA, “Il SIL ha un banco di prova ad alta fedeltà, che integra il software di volo effettivo a un insieme di ambienti e componenti hardware SLS reali e simulati”.

Ma al team M&FM occorrono entrambi i tipi di modelli. Il modello SIL contiene lo stesso software e gli stessi riquadri dell’avionica del razzo, così come gli stessi cablaggi di lunghezza uguale, per cui ha un livello di fedeltà molto più alto. Confrontando i modelli, sarà possibile utilizzare i risultati del SIL per migliorare il SAM.

Il team M&FM ha dovuto trovare gli script giusti per ottimizzare il modello SAM in termini di velocità. Bisognava decidere quali casi di test provare e come stabilire se il sistema li superasse o meno. Ora è possibile ripetere le procedure talmente velocemente sul modello SAM che questo viene utilizzato quasi come una “sfera di cristallo”, capace di prevedere il comportamento del SIL. Il documento afferma che il modello SAM impiega circa 120 secondi per l’esecuzione completa di un profilo di lancio della missione su un PC standard. Dopo aver eseguito svariati test e aver raggiunto diversi obiettivi, il team ha scoperto che, in molti casi, vi era una forte corrispondenza tra i risultati del SAM e quelli del SIL.

Un altro evento di notevole importanza era l’Hot Fire Test, nell’ambito del quale la NASA ancora al suolo il razzo e accende i motori.

“Quando quei motori si accendono, si sentono da miglia di distanza,” dice Saarela. “Viene rilasciata una quantità straordinaria di potenza e riuscire a prevedere in anticipo il comportamento esatto di ciascun componente è essenziale.”

Le nozioni apprese dal team sono applicabili ad altri casi e potranno essere utilizzate nei tantissimi programmi che si profilano nel futuro della NASA.

“I nuovi progetti quali lo Human Landing System di Artemis o addirittura il razzo Mars Ascent Vehicle potranno certamente sfruttare i nuovi strumenti e i processi utilizzati sull’SLS,” afferma Saarela. “L’ingegneria aerospaziale sta vivendo un periodo di rapida evoluzione”.

Pilota automatico per una navicella spaziale

La NASA utilizza modelli software non solo per testare gli algoritmi e simulare l’hardware ma anche per generare codice effettivo per la capsula in cui viaggerà l’equipaggio. Il sistema di guida, navigazione e controllo (GNC) è sostanzialmente il pilota automatico di una navicella spaziale, che integra i dati provenienti dai sensori e ne pianifica la traiettoria. Un tempo i progettisti di GNC scrivevano i requisiti, che gli ingegneri software utilizzavano per scrivere il codice finale. Il nuovo metodo consiste nell’usare la progettazione Model-Based. Invece di scrivere specifiche statiche, i progettisti costruiscono un modello eseguibile, da poter testare e iterare rapidamente. In seguito il software traduce automaticamente gli algoritmi di quel modello in codice finale.

I progettisti di GNC di Orion usano Simulink. Il modello Simulink può essere collegato a Trick, l’ambiente di simulazione software ad alta fedeltà della NASA per la navicella e la fisica, che ne definisce i movimenti nello spazio. Una volta ottenuto un modello soddisfacente, Embedded Coder® produce il codice di controllo in C++, il quale può essere a sua volta collegato a Trick. MATLAB può verificare il modello Simulink e il codice C++ per assicurarsi che facciano esattamente la stessa cosa. A quel punto, il codice C++ sarà caricato sulla navicella spaziale.

La progettazione Model-Based consente di risparmiare tempo poiché gli operatori non dovranno scrivere e riscrivere manualmente il codice man mano che sviluppano gli algoritmi. Inoltre, si riducono gli errori di codifica di basso livello e gli algoritmi risultano più facili da ispezionare. Ora i computer sono abbastanza intelligenti da lanciare razzi nello spazio e da scrivere codice che sia abbastanza intelligente da lanciare razzi nello spazio.

Con la progettazione Model-Based, invece di scrivere specifiche statiche, i progettisti creano un modello eseguibile e, in seguito, il software traduce automaticamente gli algoritmi di quel modello in codice finale.

Navicella Orion all’interno di una grande struttura con la bandiera americana su una parete e un cartellone con la scritta “To the Moon and Beyond” (Verso la luna e oltre) sull’altra.

Navicella spaziale Orion. (Crediti dell’immagine: Lockheed Martin Corporation)

Secondo la NASA, “Con le missioni Artemis, la NASA farà arrivare sulla Luna la prima donna e la prima persona di colore, sfruttando tecnologie innovative per esplorare la superficie lunare come non era mai stato fatto prima. Collaboreremo con partner commerciali e internazionali e stabiliremo la prima presenza a lungo termine sulla Luna. Poi, useremo tutte le conoscenze che abbiamo appreso sulla e intorno alla Luna per fare il prossimo grande passo, ovvero mandare i primi astronauti su Marte”.

Verso la Luna!


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