Giovedì 13 Dicembre 2018
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L'arrivo della sonda Insight della NASA su Marte: spiegazione dettagliata e simulazione In evidenza

Manovra EDL in una infografica con la correzione sulla manovra di rotazione iniziale
Manovra EDL in una infografica con la correzione sulla manovra di rotazione iniziale Credits: Emily Lakdawalla (http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2018/mars-insight-landing-preview.html) - modified by: Luca Cassioli

Siamo ormai prossimi al momento più critico di tutta la missione Insight, i famigerati "6 minuti di terrore", quelli durante i quali tutte le sonde progettate per atterrare su Marte effettuano, in totale autonomia.

 Manovre delicatissime che i controllori di volo nella sala controllo della NASA non possono pilotare in tempo reale: ai segnali radio per andare e tornare dalla Terra alla sonda occorono 16 minuti. In sostanza, ci si accorgerebbe di problemi nella traiettoria 10 minuti dopo lo schianto della sonda. 
Tutto è quindi affidato al computer di bordo (Guidance Navigation Computer); computer che deve barcamenarsi tra una serie di condizioni al contorno che cambiano in rapida successione e in un modo che è prevedibile solo statisticamente e approssimativamente.

 Proviamo quindi ad analizzare nel dettaglio la sequenza EDL – Entry-Descent-Landing (Ingresso-Discesa-Atterraggio), illustrata anche dall'infografica di apertura.

  1. 7 minuti prima dell'ingresso in atmosfera, Insight effettuerà la sua ultima manovra interplanetaria: si distaccherà dal "modulo di crociera" ("cruise module") che lo ha accompagnato dalla Terra fino a Marte. Ma già qui sorgono i primi problemi: nella precedente missione Phoenix gli scienziati, a seguito di calcoli e simulazioni effettuati ormai dopo il lancio, scoprirono che, una volta staccatosi il lander dal cruise stage, c'erano ampie probabilità che frammenti di quest'ultimo - che entra in atmosfera poco dopo il lander, disintegrandosi per l'attrito - sarebbero potuti passare fino ad una distanza minima di 6 metri dal lander; considerando le incertezze intrinseche dei calcoli, questo equivaleva ad una collisione. Si dovette quindi modificare la sequenza di avvicinamento, che inizialmente funzionava in questo modo: durante il viaggio verso Marte il complesso cruise+lander è orientato in modo che i pannelli solari orientati verso il sole; all'arrivo in prossimità di Marte viene effettuata una manovra di controllo di assetto che riorienta il complesso in modo che lo scudo termico del lander si trovi in direzione di marcia; successivamente, il lander si stacca dal cruise stage e si allontana a una velocità di circa 1 m/s; i due oggetti restano però sulla stessa traiettoria, e solo l'attrito dell'atmosfera, più forte per il cruise stage data la sua forma irregolare, impedisce che i due oggetti si re-incontrino durante la discesa. Con la nuova sequenza, invece, fu deciso che la dovesse avvenire prima la separazione, e poi il cambio di assetto: in questo modo il cruise stage si sarebbe trovato su una traiettoria parallela a quella del lander, passando a una distanza minima di 200m.


    EDL change

  2. Una volta staccatosi dal cruise stage, quindi, Insight ruoterà ("Entry turn", "manovra di entrata") per orientarsi nella giusta direzione.

  3. Una volta assunto l'assetto corretto, il lander fa il suo ingresso in atmosfera; chiaramente non si tratta di una cosa istantanea ma graduale, non avendo l'atmosfera un confine netto. L'attrito con l'atmosfera fa rallentare rapidamente il lander, che passa dai 5,6 km/s inziali (oltre 20000 km/h) a 400 m/s (1400 km/h) in soli 3 minuti e mezzo.

  4. Nel momento più critico Insight subirà una decelerazione che arriva a oltre 9 g,  surriscaldandosi fino a 1500°C. A tale scopo è presente sulla sonda lo scudo termico, costruito in uno speciale materiale appositamente progettato per consumarsi col calore in modo controllato, fino al raggiungimento di una velocità intorno ai 115 m/s (410 km/h). Questa fase, definita ipersonica, termina con l'apertura del paracadute. Tale apertura non può avvenire troppo presto, quando il lander è ancora troppo veloce, perché il paracadute si strapperebbe, né troppo tardi, altrimenti non ci sarebbe tempo per la successiva sequenza di frenatura a retrorazzi; ma finchè lo scudo termico non viene staccato, e finchè la quota non è inferiore a 12-15 km, non si può usare il radar per rilevare la quota; ci si affida quindi un po' a un timer, e un po' agli accelerometri di bordo: combinando i dati dei sensori, si riesce a determinare approssimativamente la quota adatta di apertura del paracadute, ma non è possibile prevedere il momento esatto.

  5. L'apertura del paracadute può avvenire all'interno di un lasso di tempo di 10 secondi prima o dopo che siano trascorsi circa 220 secondi dall'ingresso in atmosfera; successivamente, per quasi 3 minuti il paracadute rallenta il lander, ma non ai livelli a cui siamo abituati sulla Terra: su Marte, infatti, la densità dell'aria è 150 volte più bassa, per cui anche col paracadute aperto il lander non rallenta a meno di 250 km/h. A questa velocità, però, e anche perché la quota si è ridotta, è però possibile attivare il radar per rilevare la distanza dal terreno.

  6. Occorre prima però staccare lo scudo termico, ormai non più necessario. Ma qui sorge un nuovo problema: dalle simulazioni sulla precedente missione Phoenix è risultato che il radar potrebbe rilevare non il terreno, ma lo scudo termico stesso, e fornire quindi al computer di bordo un'altitudine inferiore a quella reale, il che comporterebbe inevitabilmente il fallimento della missione. Si era inizialmente pensato allora di fare anche un controllo sulla velocità: se la distanza aumenta invece di diminuire, allora il radar ha agganciato lo scudo e non il terreno; tuttavia altre simulazioni hanno mostrato che il radar potrebbe "essere sicuro" di aver agganciato il terreno anche se invece ha agganciato lo scudo, e fornirebbe comunque dati errati; trattandosi, nel caso di Phoenix, di un radar commerciale usato sugli F16, e non potendone impiegare un altro per motivi di costi, si decise di ritardare di 40 secondi l'accensione del radar, in modo da dare tempo allo scudo di allontanarsi di più dal lander. Questo però non sarebbe stato sufficiente: fu necessario anche riprogrammare il SW del radar, appena 3 mesi prima del lancio.

  7. Appena una decina di secondi dopo il distacco dello scudo termico si aprono in rapida successione le 3 zampe.

  8. Successivamente, quando è ormai trascorso circa un minuto dall distacco dello scudo termico, si accende il radar, che auspicabilmente qualche secondo dopo riesce a rilevare il terreno.

  9. La fase successiva è il distacco dal paracadute, seguita dopo pochi secondi dall'accensione dei motori. E' qui che è andato tutto a rotoli per Schiaparelli/Exomars2016 (e ancora non è ben chiaro il perché, nonostante la commissione di indagine abbia stilato un lungo rapporto). Ma anche altre sonde precedenti hanno avuto il loro bel da fare: una volta staccatosi dal paracadute, infatti, il lander deve fare in modo che il paracadute non gli cada sopra, dopo l'atterraggio, quindi bisogna effettuare una Backshell Avoidance Maneuvre (BAM - Manovra per evitare lo scudo posteriore), ossia orientare i motori in modo che spingano il lander in direzione opposta al vento, e in ogni caso in modo da allontanarlo ampiamente dal paracadute.

  10. A questo punto inizia la fase finale, la cosiddetta "Powered Descent" (Discesa motorizzata): fino adesso l'unica cosa che guidava era la gravità; ora si passa al controllo attivo. Ma anche questa fase è complicata: se si accendono i motori troppo presto, potrebbe finire il carburante prima dell'atterraggio; se si accendono troppo tardi, potrebbero non fare in tempo a rallentare il lander da 250 a 3 km/h; oppure, come per Schiaparelli, potrebbero accendersi, ma spegnersi dopo 3 secondi invece che dopo 30, facendo precipitare il lander da 1 km di altezza e schiantare al suolo a 350 kmkh.

  11. Una volta rallentato il lander a 3 km/h la cosa è fatta? Macchè. La superficie di Marte non è coperta di rocce o di erba, ma di sabbia: tenere accesi i motori fino ad atterraggio completo e oltre causerebbe una tale nuvola di sabbia da costituire un rischio per il lander, quindi i motori vanno spenti qualche frazione di secondo prima del completamento dell'atterraggio: appena almeno uno dei sensori sulle zampe rileva il terreno, i motori vengono spenti.

  12. A questo punto è fatta per davvero: basta aspettare una ventina di minuti per essere sicuri che la nuvola di polvere si depositi, e dovrebbe finalmente essere possibile scattare le prime foto.
    E questa volta non dovrebbero esserci i problemi di Beagle 2: riuscì a superare brillantemente i "6 minuti di terrore" e ad effettuare un atterraggio morbido… ma, una volta atterrato, non riuscì a completare l'apertura dei 6 pannelli solari, inizialmente accatastati l'uno sull'altro per occupare meno spazio nel modulo di discesa.
    Sfortunatamente, l'antenna per comunicare con la Terra era collocata sotto l'ultimo petalo, che non si è mai aperto.
    Il design di Phoenix è totalmente diverso, permettendo alla sonda di comunicare a prescindere dallo stato dei pannelli.

 Per seguire in tempo reale tutte le suddette fasi in modo un po' più originale del solito, è stato allestito un "simulatore di discesa": benchè basato sui dati della vecchia missione Phoenix, essendo i due lander Phoenix e Insight molto simili e i profili di missione praticamente uguali, il simulatore è utile per avere un'idea di quanto sta accadendo mentre sul monitor scorrono le immagini reali in arrivo dalla sala controllo della NASA.

screenshot2

 La strumentazione a sinistra è costituita, nell'ordine, da:

  1. Tre indicatori di velocità verticale (*): indicano lo stesso dato, ma poichè la velocità passerà da 30.000 a 3 km/h in 6 minuti, sono necessari 3 strumenti registrati su 3 scale diverse: quello più a sinistra sarà utile nelle ultime fasi della discesa, mentre all'inizio si muoverà troppo velocemente per essere utile, nel qual caso serviranno gli altri due.
  2. Tre indicatori di altitudine, anch'essi rappresentanti lo stesso dato in 3 scale diverse.
  3. Due indicatori di decelerazione (o accelerazione negativa) su 2 scale diverse; quello di sinistra è "amplificato", e permette di apprezzare anche le più piccole variazioni di accelerazione, per esempio al momento del distacco dello scudo termico o persino dell'apertura delle zampe.
  4. Un indicatore di angolo di attacco, ossia dell'angolo tra il percorso di discesa e il terreno; questo dato viene registrato correttamente solo fino all'apertura del paracadute, dopodichè non è più attendibile, per motivi che la NASA stessa non ha ancora ben chiari; l'ipotesi più probabile è che accelerometri e giroscopi di bordo, usati per calcolare l'angolo d'attacco, siano "disturbati" dall'azione del vento, la cui direzione e forza non sono note alla sonda, dando origine a dati senza senso (all'apertura del paracadute l'angolo risulta pari a 46°, aumentando fino a 132° al momento dell'atterraggio; 90° corrisponde a un'inclinazione esattamente verticale, ideale per l'atterraggio).
  5. Sotto agli strumenti è presente il feed Twitter ufficiale della missione.

 Nel pannello di destra troviamo invece:

  1. Videosimulazione della discesa: creata 10 anni fa dalla NASA, viene utilizzata per realizzare automaticamente un "montaggio" in tempo reale, facendo comparire la scena giusta al momento in cui scade ognuno dei  timer sottostanti.
  2. Diretta streaming ufficiale della NASA, che inizierà circa un'ora prima della missione.
  3. Sotto ai due filmati sono presenti vari timer, che scandiscono il  conto alla rovescia fino al momento dell'evento successivo; i pulsanti a destra possono essere premuti dall'utente per sincronizzare di volta in volta il simulatore con la situazione reale, se la NASA la fornisce nel video.
  4. Sotto ai timer è presente infine un'area in cui viene illustrata la fase in corso e la fase successiva..

 Naturalmente, nel simulatore tutto funzionerà benissimo fino all'atterraggio, a prescindere da quello che succederà realmente.

E la NASA come seguirà l'atterraggio?

 Mentre InSight scenderà verso la superficie del Pianeta Rosso trasmetterà dei semplici toni che saranno ascoltati dal Green Bank Observatory, West Virginia, e dal Max Planck Institute for Radio Astronomy, in Germania.
Questi segnali non contengono molte informazioni ma possono fornire traccia degli eventi chiave che producono uno spostamento in frequenza, come l'ingresso in atmosfera, la discesa, l'atterraggio ed il dispiegamento del paracadute.
I cubesat MarCO, che voleranno dietro alla sonda, tenteranno di trasmettere l'intera sequenza EDL e, se tutto andrà come previsto, ci regaleranno anche una foto di InSight sulla superficie di Marte subito dopo il touchdown.

Il lander, da parte sua, confermerà l'atterraggio due volte.
In un primo momento invierà una sorta di "segnale di emergenza", cioè un segnale che potrà essere ricevuto sulla Terra a prescindere dalle condizioni e dalla presenza di eventuali altre sonde in orbita intorno a Marte. Normalmente, infatti, i lander non sono in grado di comunicare direttamente con la Terra perché non hanno potenza sufficiente quindi, si limitano ad inviare i propri deboli segnali a una sonda in orbita, distante poche centinaia di chilometri, che li amplifica e li ritrasmette tramite una grossa antenna parabolica verso la Terra, lontana milioni di chilometri. Tuttavia, le antenne del Deep Space Network, in circostanze favorevoli, possono percepire direttamente il debolissimo segnale proveniente da un lander senza però riuscire ad estrarne i dati, troppo attenuati. I progettisti della NASA hanno allora escogitato uno stratagemma per aggirare il problema: non appena Insight atterrerà, modificherà la frequenza del segnale radio inviato a Terra. A differenza dell'ampiezza, la frequenza di un segnale radio non subisce nessuna attenuazione o variazione durante un viaggio di 100 o 100 milioni di chilometri; se il DSN rileverà questo cambio di frequenza, avremo la certezza che Insight è atterrato e funziona. Di contro, se il DSN smettesse di ricevere del tutto il segnale, potrebbe voler dire qualunque cosa: che il lander si è schiantato, o che la trasmittente si è rotta, o che la polvere cosmica si è interposta tra Marte e la Terra bloccando il segnale... Qualunque ipotesi sarebbe possibile!

Una volta effettuato il cambio di frequenza, Insight diventerà effettivamente operativo ed inizierà ad inviare i dati veri e propri ai satelliti in orbita intorno a Marte, fornendo una seconda conferma dell'avvenuto atterraggio.

frequenze


Spettatori immancabili saranno i veterani Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)Mars Odyssey: MRO registrerà dati durante l'EDL fino a quando potrà seguirla prima di scomparire dietro all'orizzonte del pianeta; Odyssey, invece, seguirà tutta la storia, anche dopo l'atterraggio ed invierà anche un paio di immagini.

Ricordiamo gli strumenti di bordo

InSight (Interior Exploration Using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport), come abbiamo visto, incorpora molte caratteristiche del lander Phoenix.
Per lavorare su Marte utilizzerà un braccio robotico, Deployment Arm (IDA), lungo 1,8 metri e completo di pinza a cinque dita meccaniche per gestire gli esperimenti fondamentali della missione.

InSight strumenti

Il Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS), costruito dal CNES in collaborazione con DLR le agenzie spaziali della Svizzera e del Regno Unito, che misurerà le onde sismiche interne al pianeta, generate da "marsquakes", ossia dei terremoti marziani, e dagli impatti meteorici.

Il Heat Flow and Physical Properties Package (HP3), realizzato dal DLR, che misurerà il calore proveniente dall'interno verso la superficie.
La sua sonda arriverà fino a 5 metri di profondità, molto oltre rispetto a quanto ogni missione abbia fatto finora.

Il Rotation and Interior Structure Experiment (RISE), inoltre, collegato al sistema di comunicazione del lander, sfrutterà l'effetto doppler e le trasmissioni con il Deep Space Network della NASA per misurare con precisione la rotazione del pianeta e potrebbe rivelare se Marte ha un nucleo fuso o solido.

In questa missione le immagini non saranno protagoniste.
Il lander ospita due fotocamere di servizio una montata sul braccio robotico, l'altra sulla parte anteriore del lander. La prima Instrument Deployment Camera (IDC), con un campo visivo di 45 gradi, è simile alle NavCam dei Mars Exploration Rover (MER) con l'aggiunta del full color. Catturerà immagini degli strumenti sul ponte e viste 3D del terreno dove sarà posizionata la strumentazione. La seconda Context Camera (ICC), con un angolo più ampio di 120 gradi, simile alle HazCam dei MER è posizionata sotto il bordo del ponte del lander per fornire viste grandangolari della zona di lavoro.

Articolo scritto con il contributo di Marco Di Lorenzo ed Elisabetta Bonora

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(*) Non la velocità della sonda lungo l'asse di simmetria della sonda, che è un dato non direttamente disponibile nella fonte originale di dati: sono presenti le componenti X, Y e Z della velocità rispetto al centro di Marte, con Z passante per i poli; data la particolare missione Phoenix, che è atterrata quasi al polo nord, per calcolare la velocità verticale rispetto al suolo basta moltiplicare la componente Z per il coseno di 68° (latitudine di atterraggio), mentre per missioni più prossime all'equatore, come Insight, il calcolo è molto più complesso.

 Rif: https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/1.46548 [1] - "Overview of the Phoenix Entry, Descent, and Landing System Architecture" - Myron R. Grover III and Benjamin D. Cichy

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Luca Cassioli

Sono laureato in ingegneria elettronica e appassionato di qualunque moderna tecnologia: dall'aerospazio alla realtà virtuale, dall'elettronica ai droni, dalle auto elettriche alla stampa 3d, passando per realtà aumentata ed energie alternative....
Costruisco modellini 3d delle sonde interplanetarie che negli anni si avventurano ad esplorare il sistema solare, ma ho anche un'impianto solare autocostruito in giardino, e un'auto elettrica nel posto-macchina...
Sono anche un inventore a tempo perso, e sono comparso in TV col mio "famoso" bicchiere gonfiabile, prima a "I fatti vostri" nel 2000 e poi a "SOS uno mattina" nel 2003, per poi finire nel 2004 a GEO&GEO col mio "stereovisore a specchi".
Non c'è limite a quello che mi interessa sapere, scoprire e inventare! 


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