Artemis, il satellite dell’ESA, raggiunge l’orbita geostazionaria – da una perdita completa a un recupero totale

Il percorso inusuale seguito da Artemis per raggiungere l’orbita geostazionaria è stato lungo e difficile, disseminato di problemi non comuni. Ma la missione è stata salvata grazie all’abilità di una squadra mista di ingegneri e altri specialisti dell’Agenzia Spaziale Europea, di Alenia Spazio (prime contractor), di Telespazio (responsabile delle operazioni sul satellite dal centro di controllo del Fucino), e di Astrium che ha ideato il sistema di propulsione ionica, e sopratutto grazie all’uso sperimentale che di questo sistema è stato fatto, differente rispetto al progetto iniziale. Il sistema di propulsione ionica – originalmente a bordo di Artemis per controllare i piccoli movimenti del satellite nella sua posizione nominale – è stato l’elemento chiave per poter scalare gli ultimi 5000 km prima di raggiungere la quota dell’orbita geostazionaria.

A causa di un malfunzionamento nello stadio superiore, il razzo Ariane5 lasciò Artemis, il satellite per le telecomunicazioni dell’ESA, in un’orbita ellittica a una quota inferiore a quella prevista. L’apogeo (il punto di massima distanza dalla Terra) era a soli 17487 km, ben lungi dall’orbita di trasferimento prefissata, il cui apogeo sarebbe dovuto essere a 35853 km. La squadra di specialisti dell’ESA e delle industrie ha risposto prontamente a questa situazione implementando una serie di procedure innovative di controllo per recuperare il satellite. Sono state infatti compiute manovre a prima vista azzardate, che si sono poi dimostrate non solo vincenti ma anche molto efficaci. Già solo pochi giorni dopo il lancio, Artemis è riuscito a uscire dall’orbita pericolosa condivisa con le fasce di Van Allen e a raggiungere integro un’orbita circolare a quota 31000 km,. utilizzando quasi tutto il propellente chimico disponibile.

Un lungo tragitto fino all’orbita geostazionaria

Da allora, lo sforzo per arrivare a raggiungere l’orbita geostazionaria è proseguito senza interruzione grazie all’uso dei 4 motori ionici montati sul satellite. Questi nuovi motori, al posto dei motori convenzionali a combustione chimica, usano il gas Xenon ionizzato. Erano stati progettati in origine solo per controllare l’inclinazione del satellite generando una spinta perpendicolare al pino dell’orbita. Ma le operazioni di recupero hanno richiesto che si generasse una spinta compresa nel piano dell’orbita per portare il satellite nell’orbita geostazionaria finale. Questo si sarebbe potuto realizzare solo rotando il satellite di 90 gradi rispetto all’orientamento nominale nel piano dell’orbita.

Sfruttando le opportunità fornite dalla configurazione del volo del satellite, si è agito non solo per accrescere la quota ma anche per invertire il naturale aumento nell’inclinazione orbitale. Per realizzare entrambi i requisiti, è stato necessario mettere in piedi nuove modalità di controllo a bordo, una nuova rete operativa e nuove procedure di controllo di volo.

L’idea di manovrare con i motori ionici per alzare l’orbita ha comportato l’utilizzo di modalità di controllo completamente innovative, mai usate prima per un satellite di telecomunicazioni, come pure l’implementazione di nuove funzioni di telecomando, telemetria e interfaccia per i dati aggiuntivi. Grazie al sistema di controllo di bordo riprogrammabile, queste modifiche sono state trasmesse al satellite, inviando "patches" software per un totale di 15000 parole, la più grande riprogrammazione del software di volo mai compiuta su un satellite per le telecomunicazioni.

Alla fine del dicembre 2001, era stato completato il lavoro sul software, validato preventivamente a terra usando il simulatore satellitare come banco prova. Con la caratterizzazione dei quattro motori, tutte le attività preparatorie erano completate e il 19 febbraio 2002 cominciava la manovra di raggiungimento dell’orbita utilizzando unicamente il sistema a propulsione ionica.

Dall’inizio delle operazioni di recupero, i controllori hanno dovuto affrontare molte situazioni impreviste, dato che questa nuova strategia poteva essere testata realisticamente solo sul satellite stesso. Nessun banco di prova essere disponibile per replicare esattamente lo stesso scenario, come invece viene normalmente pianificato nei test preliminari di volo di ogni missione.

Grazie all’estrema flessibilità e alla ridondanza del progetto del sistema, è stato mantenuto un costante progresso nel processo di raggiungimento dell’orbita, benché con un andamento inferiore a quanto teoricamente possibile. Artemis – grazie al tenace lavoro dei suoi motori ionici con la loro modesta spinta di 15 milli-Newton – si è avvicinato all’orbita al ritmo di 15km al giorno di media: come una piccola imbarcazione che con un unico motore spingeva un grande cargo.

I test sugli strumenti e le loro performance

L’intervallo di tempo tra il raggiungimento dell’orbita "di parcheggio" a quota 31000 km e l’inizio delle manovre di innalzamento dell’orbita è stato di qualche mese. Questo tempo è stato usato per portare a termine la verifica delle performance degli strumenti.

Nel novembre/dicembre 2001 erano stati compiuti test positivi sugli strumenti. Questi test erano possibili solo ogni cinque giorni, quando l’antenna di Artemis copriva la stazione di terra dell’ESA a Redu in Belgio. Ulteriori restrizioni di tempo erano derivanti dal fatto che le frequenze a cui lavorano alcuni carichi utili potevano essere adoperate solo quando Artemis si trovava vicino alla sua posizione orbitale nominale.

Tuttavia, vi furono sufficienti opportunità per dimostrare che tutti gli strumenti (data relay in banda, S, Ka e ottica, carichi utili di navigazione e di comunicazione mobile in banda L) erano attivi e che le loro performance erano in linea con i risultati acquisiti prima del lancio. In altre parole, soddisfacevano completamente i loro requisiti di progetto.

Fu dimostrato inoltre il corretto funzionamento del sistema di puntamento automatico dell’antenna in banda Ka per il link inter-satellitare. L’antenna aveva acquisito un segnale trasmesso da Redu (B) e aveva mantenuto automaticamente il collegamento mentre Artemis scivolava lentamente nel cielo.

Una prima mondiale mentre era ancora lontano dalla sua posizione

L’evento più spettacolare fu la dimostrazione dell’operatività del carico utile di comunicazione ottica SILEX. A seguito dell’iniziale e positiva accettazione del sistema, ottenuta utilizzando la stazione a terra dell’ESA, a Tenerife (E), un collegamento ottico è stato realizzato tra i satelliti Artemis e SPOT 4. Il 30 novembre 2001, per la prima volta, i dati di una immagine resa da un satellite orbitante a bassa quota sono stati trasmessi via laser a un satellite (quasi) geostazionario e da lì al centro di processamento dati a Tolosa, in Francia.

Complessivamente, ci sono stati 26 tentativi di collegamento ottico tra satelliti e 26 sono stati i successi. Il collegamento non si è mai perso prima del punto pre-programmato e la qualità del collegamento era pressoché perfetta: meno di 1 bit di errore su 109. Questo significa 1 bit ricevuto erroneamente su 1 000 000 000 di bit trasmessi.

La propulsione ionica per salvarsi

Dopo le frenetiche ed eccitanti iniziali operazioni di recupero dell’orbita nei giorni successivi al lancio, non è stato facile avere a che fare con il progressivo ma lento incremento di quota fornito dalla propulsione ionica e, per quelli non addentro alle attività legate al satellite, questo tempo deve esser sembrato monotono e senza rilevanza. Nulla di più lontano dalla verità per gli operatori e gli ingegneri responsabili di mantenere costante il ritmo di ascesa.

Da quando in febbraio la nuova modalità di controllo è stata dichiarata valida per le operazioni e i motori ionici hanno cominciato ad allargare l’orbita con una spinta quasi impercettibile, il lavoro è stato faticoso e praticamente ogni settimana ha generato nuovi problemi da risolvere. Nonostante fossero generalmente di piccola entità, queste anomalie hanno portato a investigazioni che a volte hanno portato a una interruzione nella progressiva ma lenta spinta.

Oltre al monitoraggio e all’ottimizzazione delle prestazioni dei motori ionici, gli operatori hanno esplorato molte tecniche differenti di controllo di assetto per orientare il satellite in modo da utilizzare al meglio l’impulso dei motori ionici. La pianificazione della sequenza di cambiamento dell’assetto del satellite, includendo il regolare aggiornamento dei suoi parametri critici, e la gestione dei contatti con la stazione a terra ha implicato un lento ma considerevole investimento di forze.

In ottobre, il satellite ha lasciato la sua terza e finale stagione di eclissi dal suo lancio. Durante ciascuna eclissi, la Terra nascondeva il Sole al satellite per circa due ore per orbita. Pertanto per salvaguardare la salute del satellite, ogni volta l’assetto doveva essere ruotato dalla modalità di spinta alla modalità di puntamento terrestre e vice versa. Ciascuna di queste manovre comportava un investimento costante di tempo ed energie.

Operazioni finali

Passate queste difficoltà, gli operatori hanno finalmente focalizzato la loro attenzione nel pianificare il processo di acquisizione della posizione corretta nell’orbita geostazionaria, e nel preparare le operazioni iniziali.

Ad altitudini di poche centinaia di chilometri inferiori all’orbita geostazionaria, il satellite impiega diverse settimane per compiere un giro attorno alla Terra. È perciò importante evitare di sorpassare la giusta posizione a 21.5 gradi di longitudine Est non appena raggiunta l’altitudine dell’orbita geostazionaria.

Questi aggiustamenti orbitali si sono avuti utilizzando brevi accensioni dei motori a propellente chimico, attivati per la prima volta dal lancio. La prima accensione effettuata con successo a dicembre,e seguita da altre due a gennaio, ha rallentato la velocità di spostamento a pochi gradi al giorno mentre il satellite compiva il suo ultimo passaggio sopra l’Europa, fino ad arrivare alla corretta posizione finale nell’arco geostazionario.

È stato un momento emozionante, quando è stata compiuta l’ultima manovra il 31 gennaio. Dalla modalità di controllo supportata così a lungo per consentire la spinta ionica, il satellite è stato riconfigurato per il puntamento a terra per consentire le attività normali di comunicazione, mettendo a riposo i motori ionici che avevano consentito al satellite di arrivare felicemente nella sua posizione nominale in orbita. I controllori a terra hanno potuto così concludere le operazioni della rete di stazioni a terra che avevano aiutato nel controllare a manovrare costantemente il satellite sino ad allora.

Ora, Artemis funzionerà come stabilito sin dall’inizio e a bordo ha propellente chimico sufficiente per 10 anni di attività.

Artemis diventa operativo proprio quando una grande comunità di utenti lo sta aspettando. Durante le prime poche settimane nell’orbita nominale, un controllo completo della strumentazione a bordo di Artemis è stato completato grazie agli stabilimenti di In-Orbit Test a Redu, in Belgio. Tutti gli strumenti rispondono bene e un ulteriore collegamento ottico con il satellite SPOT4 è stato stabilito.

Il satellite è ora a disposizione per i suoi primi utenti: SPOT4, Envisat, EGNOS ed Eutelsat/Telespazio. Un test preparatorio sarà organizzato con il satellite di osservazione della Terra ADEOS-II di NASDA. In futuro altri utenti di Artemis saranno l’Automated Transfer Vehicle dell’ESA e gli elementi Columbus della Stazione Spaziale Internazionale.

Artemis ha non solo collezionato una serie unica di record per innovazioni applicative già durante il suo recupero – primo collegamento ottico tra satelliti; prima grande riprogrammazione di un satellite per le telecomunicazioni; primo trasferimento orbitale per l’orbita geostazionaria ottenuto con la propulsione ionica; la più lunga orbita operativa di innalzamento – ma fornirà l’opportunità promozionale e lo stimolo per i futuri servizi europei di data relay. Un futuro promettente per questa missione incredibile!

Per ulteriori informazioni rivolgersi a:

Gotthard Oppenhäuser
Artemis Project Manager
ESA/ESTEC
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