L’ATV Jules Verne è pronto per la missione verso la ISS

La configurazione di lancio dell'ATV su Ariane 5
27 Febbraio 2008

Il primo dei Veicoli di trasferimento automatizzati (ATV) dell’ESA – battezzato Jules Verne come il visionario scrittore di fantascienza del XIX secolo – è certamente il veicolo spaziale più complesso mai sviluppato in Europa.

Dal suo primo volo operativo del 2008, la navicella spaziale più complessa mai costruita in Europa giocherà un ruolo vitale nel rifornimento della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Il suo scopo fondamentale è quello di essere un trasportatore cargo e un deposito, mentre - di tanto in tanto - dovrà agire anche da ‘rimorchiatore’ in grado di correggere l’orbita della Stazione Spaziale.

Questa versatile navicella è un contributo essenziale offerto dall’Europa alle attività operative regolari della Stazione Spaziale, la cui linfa vitale è costituita dalle regolari consegne di attrezzature sperimentali e parti di ricambio oltre che alimenti, aria e acqua per gli equipaggi di lunga permanenza.

Al momento questo ruolo è largamente ricoperto dallo Space Shuttle statunitense e dalla navicella russa automatizzata Progress. Tuttavia, il ritiro dello Shuttle, previsto per il 2010, renderà ancora più importante il ruolo dell’ATV europeo. Ciascuno dei nuovi ATV – in grado di trasportare sino a nove tonnellate di carico per una missione della durata tipicamente di sei mesi – verrà lanciato da un vettore Ariane-5 dallo spazioporto europeo di Kourou, nella Guiana francese. Quando il primo ATV, il Jules Verne, sarà lanciato, come previsto, il prossimo 8 marzo, l’astronauta francese Léopold Eyharts sarà tra i membri dell’equipaggio ancora a bordo della ISS che prepareranno il suo arrivo.

ESA's ATV approaching ISS in simulation
Simulazione dell'attracco al modulo di servizio russo

Equipaggiata di propri sistemi di propulsione e navigazione, l’ATV è una navicella spaziale multifunzionale, che combina le capacità pienamente automatizzate di un veicolo privo di equipaggio con i requisiti di sicurezza delle navicelle spaziali per volo umano.

Un sistema di navigazione ad alta precisione guiderà l’ATV su una traiettoria di rendezvous con la Stazione Spaziale, dove attraccherà automaticamente al Modulo di servizio russo, circa quattro settimane dopo il lancio. Qui rimarrà come parte integrante e pressurizzata del complesso per un massimo di sei mesi, sino al suo rientro controllato nell’atmosfera terrestre dove brucerà completamente, smaltendo i materiali di scarto e i rifiuti della Stazione Spaziale.

Rappresentazione della fase finale dell'approccio dell'ATV alla ISS

“Siamo orgogliosi dell’ATV,” afferma Daniel Sacotte, Direttore del Programma di Voli Abitati, Microgravità ed Esplorazione dell’ESA. “Con un peso di circa 20 tonnellate, sarà di gran lunga il carico più pesante mai trasportato dal lanciatore Ariane-5,” ha poi aggiunto. “Grazie al lancio del primo ATV l’Europa si prepara a raccogliere i grandi vantaggi degli investimenti effettuati nella tecnologia spaziale.”

Sebbene l’ATV non trasporti personale, astronauti privi di tuta spaziale saranno in grado di accedere al carico e ai sistemi di bordo durante il periodo di attracco. Il volume di 45 m3 pressurizzato del Cargo Carrier integrato dell’ATV si basa sul laboratorio Columbus dell’ESA, che a sua volta si basa sul Modulo logistico pressurizzato multifunzionale (MPLM) di costruzione italiana. Al suo interno ogni Cargo può contenere sino a otto rack completi di elementi di carico modulari.

La sua struttura comprende anche diversi serbatoi di acqua potabile, di propellente per la Stazione Spaziale e di aria (ossigeno e azoto) per l’equipaggio. La ‘punta’ della sezione di carico contiene l’attrezzatura di attracco costruita in Russia e i sensori di avvicinamento.

L'ATV ha, più o meno, le dimensioni di un tradizionale autobus londinese a due piani

L’ATV: un veicolo spaziale poilvalente

Sono ormai decenni che le agenzie spaziali progettano rimorchiatori spaziali o veicoli adibiti al trasferimento di astronauti e attrezzature su differenti orbite terrestri – ma il veicolo di trasferimento automatizzato europeo (ATV), è sicuramente la navicella spaziale più potente di questo tipo. Se vogliamo fare un confronto, la navicella spaziale di nuova generazione e altamente innovativa sviluppata dall’ESA dispone di circa il triplo della capacità di carico della sua controparte russa – il veicolo da carico Progress-M.

Il manager del programma ISS dell’ESA, Alan Thirkettle, ha descritto l’ATV come “un satellite per telecomunicazioni, una navetta di navigazione e una navicella spaziale con carico umano combinati in un unico veicolo”. La sua forma cilindrica - 10,3 metri di lunghezza per 4,5 metri di diametro – è coperta da uno strato di materiale isolante applicato sui pannelli di protezione dai meteoriti, mentre uno spiegamento di pannelli solari a forma di X, che ricorda ali metalliche di colore azzurro, conferisce all’ATV il suo caratteristico aspetto da libellula.

Le véhicule européen de ravitaillement de la Station spatiale in
L'ATV in orbita terrestre - rappresentazione grafica

Internamente, ciascun ATV consiste di due sezioni, il modulo di avionica/propulsione (denominato Modulo di Servizio), e il Cargo Carrier Integrated, che collega all’ISS. “Come veicolo di rifornimento logistico per la Stazione Spaziale, l’ATV sarà importante sin dal 2008 ma diventerà fondamentale nel 2011, dopo il ritiro dello Space Shuttle, quando diverrà il veicolo di trasporto pesante per l’ISS,” ha dichiarato Thirkettle.

Equipaggiato di propri sistemi di propulsione e navigazione, l’ATV è una navicella spaziale polivalente, che combina le capacità pienamente automatizzate di un veicolo privo di equipaggio con i requisiti di sicurezza delle navicelle spaziali per volo umano necessarie per l’attracco alla Stazione Spaziale Internazionale. Il modulo di servizio dell’ATV dispone di quattro motori principali e di 28 propulsori secondari per il controllo dell’assetto.

Dopo l’attracco, la navetta esegue il controllo dell’assetto della Stazione Spaziale. Può inoltre essere usata per alleggerire l’impegno del sistema di assetto giroscopico della Stazione ed elevare l’orbita del complesso, in modo da superare gli effetti della resistenza atmosferica residua oppure per eseguire manovre per evitare detriti spaziali. Ciascuna navetta ATV verrà lanciata dallo spazioporto europeo della Guiana Francese con un razzo vettore Ariane-5 e rilasciata in un’orbita a 51,6 gradi – la stessa della Stazione Spaziale. L’ATV si separerà dal suo lanciatore Ariane 70 minuti dopo il decollo e attiverà i propri sistemi di navigazione, diventando una navicella spaziale pienamente automatizzata in rotta di avvicinamento con l’ISS.

Durante la fase finale di attracco, l'ATV vola lungo una traiettoria di navigazione della massima precisione grazie al sistema di sensori ottici

Il volo inaugurale dell’ATV segnerà il primo avvicinamento e attracco di una navicella spaziale europea in orbita, nonché la prima missione di rifornimento europea della Stazione Spaziale. Si tratta della più impegnativa e complessa delle cinque missioni programmate per l’ATV e, per consentire ai tecnici di eseguire una serie di prove di approccio dettagliate, verrà eseguita in 14 giorni – invece dei 10 previsti per le missioni normali.

Sotto la responsabilità del Centro di controllo ATV di Tolosa, in Francia, la prima missione dimostrerà che l’ATV è in grado di raggiungere in modo automatico – sicuro – tutti i suoi obiettivi primari: l’avvicinamento con la ISS, il rifornimento dell’avamposto orbitale e la rettifica dell’orbita della struttura di oltre 200 tonnellate di massa.

Sequenza di volo dell'ATV dal lancio al rientro

Il profilo di controllo missione dell’ATV

Una tipica missione di un ATV inizia quando la navetta viene lanciata in orbita da un vettore Ariane-5 specificamente modificato. Dopo la separazione dall’Ariane, i sistemi di navigazione dell’ATV vengono attivati e i motori accesi per farlo entrare in un’orbita di trasferimento.

Queste attività vengono costantemente sorvegliate dal Centro di controllo ATV di Tolosa, in Francia, specificamente dedicato a questo scopo. La navetta da carico avvisterà la Stazione Spaziale Internazionale dopo qualche giorno in orbita. A questo punto i suoi computer daranno inizio alle manovre di avvicinamento finale, nel corso delle due orbite successive.

L’avvicinamento finale alla Stazione Spaziale si verificherà alla velocità relativa di pochi centimetri al secondo mentre entrambi i veicoli orbitano alla velocità approssimativa di circa 28.000 kilometri l’ora. L’attracco sarà completamente automatico e, se dovessero insorgere problemi dell’ultimo minuto, sia i computer dell’ATV sia l’equipaggio della Stazione Spaziale sono in grado di attivare una sequenza pre-programmata di manovre anti-collisione totalmente indipendente dal sistema di navigazione principale.

Durante le fasi altamente critiche del volo di un ATV – dal lancio all’attracco, ma anche dalla partenza al rientro – un team di 60 persone lavorerà in tre sale d controllo adiacenti del nuovo Centro di controllo ATV monitorando con la massima attenzione le procedure di approccio.

ATV Control Centre
Il Centro di Controllo dell'ATV a Tolosa, in Francia

L’Agenzia Spaziale Francese (CNES) è responsabile della gestione del Centro e coordina e supporta tutte le attività dell’ATV per conto dell’ESA. L’innovativo sistema di avvicinamento automatico dell’ATV è stato reso possibile dall’uso di una serie di sensori.

Durante la prima fase di volo, verrà utilizzata una combinazione di dati di Star Tracker e GPS. Lo Star Tracker, un sistema in grado di riconoscere diverse costellazioni nel cielo e di usare queste informazioni per calcolare l’orientamento spaziale della navetta, e il GPS – che fornisce informazioni sulla posizione misurando l’angolazione tra i satelliti orbitanti – sono gli equivalenti moderni degli antichi sistemi di navigazione.

La navetta si avvale di questi sistemi per avvicinarsi alla Stazione Spaziale in circa 10 giorni, prima di passare a un sistema differente per l’attracco ad altissima precisione. Quest’ultimo sfrutta i sensori del videometro, a forma di occhio, e li combina con un sistema di misurazione parallelo e completamente indipendente, utilizzato come backup per verificare che tutto proceda secondo i piani. Il videometro emette un raggio laser e poi ne analizza il rifl esso dovuto ai retroriflettori posti intorno alla porta di attracco russa, dove attraccherà l’ATV.

Durante gli ultimi 20 metri della manovra di avvicinamento finale, il videometro riconoscerà automaticamente le sagome obiettivo dei retroriflettori, calcolando distanza e direzione dalla porta di attracco. Per aggiungere un ulteriore margine di sicurezza, un sensore secondario e indipendente – denominato telegoniometro – emetterà impulsi laser a una lunghezza d’onda differente da quelli dei retroriflettori. Il tempo di percorrenza degli impulsi fornirà la distanza, mentre la direzione sarà confermata dall’orientamento dei due specchi incorporati.

ATV visitors
D. Sacotte, J. Elwood e J. F. Clervoy al teste centre dell'ATV presso ESTEC

Dopo aver descritto l’ATV come “la navetta spaziale più complessa e innovativa” mai sviluppata in Europa, John Ellwood, il project manager dell’ATV per l’ESA, ha dichiarato che il carico trasportato durante la prima missione sarà limitato a cinque tonnellate. “Vogliamo conservare una certa flessibilità per le varie manovre di prova che verranno eseguite durante l’avvicinamento. Faremo eseguire al veicolo un piccolo ‘balletto’ di fronte alla Stazione Spaziale per verificare la precisione dei sistemi di bordo,” ci ha spiegato Ellwood.

Con l’ATV saldamente ancorato, gli astronauti potranno entrare nella stiva e rimuovere il carico – i rifornimenti, le attrezzature scientifiche, i pacchi di alimenti e le lettere dei familiari. I suoi serbatoi di carburante e acqua saranno collegati al sistema idraulico della Stazione Spaziale e gli astronauti potranno rilasciare manualmente ossigeno e azoto all’interno dell’ISS. Gli ATV rimarranno attraccati alla Stazione Spaziale per un massimo di sei mesi. Durante questo periodo l’equipaggio procederà a rimuovere regolarmente il carico e a sostituirlo con il materiale non più utile a bordo.

Una volta completata la sua missione di rifornimento, il portellone dell’ATV verrà chiuso dall’equipaggio. Successivamente il centro di comando di terra procederà al distacco della navetta dall’ISS. I suoi motori procederanno a fare uscire dall’orbita la navetta – non all’angolo a bassa incidenza usato per il rientro relativamente delicato dei veicoli con equipaggio, ma su un percorso di volo con un angolo di incidenza tale da provocare, nel corso della discesa controllata, forze di resistenza atmosferica sufficientemente elevate da provocarne la distruzione, bruciandolo completamente mentre sorvola l’Oceano Pacifico.

Cutaway of ATV docked to ISS
Sezione che mostra l'interno dell'ATV

Il potenziale futuro dell’ATV

L’ATV è stato progettato dall’ESA in modo da poter costituire una solida base per il futuro sviluppo di una vasta gamma di nuovi veicoli spaziali. Diversi studi hanno esaminato scenari differenti, fra cui la sostituzione della cabina pressurizzata con un grande veicolo di rientro dotato di uno scudo di protezione in grado di riportare a Terra carichi utili e importanti esperimenti.

Un simile progetto potrebbe fare uso delle idee messe alla prova con successo nel 1998 dal prototipo Atmospheric Reentry Demonstrator (ARD) dell’ESA. L’ATV potrebbe inoltre diventare un veicolo di trasporto dell’equipaggio. In tal caso richiederebbe modifiche più complesse. La cabina pressurizzata verrebbe trasformata in una capsula di rientro guidata per il trasporto dell’equipaggio.

Questa potrebbe essere utilizzata, in una prima fase, come veicolo di salvataggio per l’equipaggio della Stazione Spaziale e, successivamente, come veicolo di trasporto vero e proprio dell’equipaggio, lanciato da un Ariane-5. Oppure si potrebbe preparare una versione per trasporti logistici non pressurizzata destinata al trasporto di diverse tonnellate di attrezzature che non richiedano un ambiente pressurizzato. Un’altra possibilità consiste nell’inserimento nel nucleo di un ATV di una piccola capsula eiettabile, in grado di riportare a terra circa 150 kg di carico al termine della sua missione.

L’ATV potrebbe inoltre evolversi in un laboratorio in volo libero privo di equipaggio in grado di attraccare periodicamente all’ISS per le operazioni di manutenzione e rifornimento. Una simile navicella spaziale in volo libero e pressurizzata potrebbe essere utilizzata anche come riparo sicuro per l’intero equipaggio nella eventualità di un’emergenza a bordo dell’ISS. In seguito, si potrebbe pensare a costruire una mini-stazione spaziale equipaggiando l’ATV con due meccanismi di attracco – uno anteriore e uno posteriore.

Ancora più in là nel futuro, l’ATV potrebbe essere utilizzato anche come veicolo di trasferimento per il trasporto di tonnellate di rifornimenti e attrezzature – fra cui telescopi spaziali e navette planetarie – in orbita lunare e marziana.

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