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26 Febbraio 2021
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    Ovvero i sette minuti di terrore stanno per arrivare anche per Perseverance, il nuovo grande rover marziano della NASA che atterrerà, se tutto va bene, domani sera su Marte. Vediamo le fasi di questi sette minuti e gli strumenti che lo aiuteranno a superarli, con i link per seguire l’impresa in diretta domani.

    18 febbraio, questa è la data più attesa per chi sta seguendo le missioni di esplorazione del Pianeta Rosso. Dopo gli ingressi in orbita, nei giorni scorsi, delle missioni Tianwen-1 della Cina e Mars Hope degli Emirati Arabi Uniti, tocca ora alla NASA.

    Si potrà pensare che per la NASA sia ormai una passeggiata atterrare su Marte, in fondo le ultime missioni si sono tutte concluse con successo, e sono cinque i lander o rover dell’agenzia americana atterrati senza grandi problemi negli ultimi quindici anni, ma Marte non ha una buona reputazione sotto questo aspetto… se non ci si ferma agli ultimi anni della NASA, nell’insieme di tutte le agenzie spaziali, le missioni non andate a buon fine sono più della metà.

    Per conoscere meglio gli scopi della missione, il rover e l’elicotterino Ingenuity (che significa ingegno… non ingenuità!) che gli farà compagnia, vi rimandiamo all’articolo “Perseverance Conosciamo il nuovo rover in partenza per Marte” di Elisabetta Bonora, pubblicato su Coelum Astronomia 246, in occasione della partenza da Terra, vediamo invece cosa dovrà affrontare il rover per raggiungere la sua meta.

    Perseverance dovrebbe raggiungere la superficie marziana il 18 febbraio attorno alle 21:55 ora italiana, all’interno del cratere Jezero, e la Nasa gli ha fornito tutti gli strumenti necessari per evitare che qualcosa vada storto, proprio grazie alla sua lunga esperienza maturata.

    Il rover dovrà affrontare quelle tre fasi che lo porteranno sulla superficie, indicate dall’acronimo EDL: Entry, Descent and Landing ovvero l’ingresso nell’atmosfera, la discesa verso la superficie e infine l’atterraggio. si tratta degli ormai noti “sette minuti di terrore”, pochi minuti ma estremamente importanti, in cui ci si gioca il successo e il proseguimento della missione, gli anni di preparazione e il viaggio per arrivare fin lì.
    Se questo non bastasse, per ricevere i segnali radio da Marte occorrono più di 11 minuti… quindi il team della missione non ha nessuno modo di intervenire in quei sette minuti, per questo il veicolo dovrà eseguire in autonomia tutti i passaggi.

    Tutti i passaggi di entrata, discesa e atterraggio (EDL) che dovrà affrontare la sonda in soli 7 minuti.

    Dieci minuti prima di entrare nell’atmosfera, Perseverance perderà il suo modulo da crociera, che ospita pannelli solari, radio e serbatoi di carburante utilizzati durante il viaggio verso Marte. Solo l’aeroshell che lo protegge – con rover e modulo di discesa all’interno – lo accompagnerà durante la fase di discesa. Prima di entrare nell’atmosfera, il veicolo dovrà riorientarsi e assicurarsi che lo scudo termico sia rivolto in avanti.

    Entry

    In questa illustrazione l'ingresso in atmosfera marziana del veicolo contenente il rover Perseverance. In questa fase viene persa velocità di ingresso grazie alla resistenza generata dall'atmosfera marziana. Centinaia di eventi critici dovranno essere eseguiti alla perfezione e nei giusti tempi affinché il rover possa atterrare su Marte in sicurezza il 18 febbraio 2021. NASA / JPL-Caltech

    Viaggiando a quel punto a quasi 20.000 chilometri all’ora, il veicolo dovrà rallentare, fino ad arrivare a velocità zero sulla superficie, in soli sette minuti e mirando a un bersaglio preciso sulla superficie.

    Già appena entrato, la resistenza prodotta dall’atmosfera marziana lo rallenta drasticamente, sviluppando un calore estremo. Il picco di riscaldamento si verifica circa 80 secondi dopo l’ingresso, quando sulla superficie esterna dello scudo termico verranno raggiunti i 1.300 gradi Celsius circa, ma al sicuro nell’aeroshell il rover avrà una temperatura vicina a quella ambiente.

    Descent

    Il paracadute è l'elemento fondamentale per rallentare ulteriormente il veicolo dopo il rallentamento atmosferico. Con i suoi 21,5 metri di diametro porterà la velocità del modulo da 1512 a a circa 320 chilometri all'ora. Poi entreranno i funzione i propulsori dedicati al controllo dell'atterraggio. Crediti: NASA/JPL-Caltech

    Durante la discesa, la navicella incontrerà sacche d’aria più o meno dense, che possono spingerla fuori rotta. Per compensare, ha dei piccoli propulsori sul guscio posteriore che le permettono un “ingresso guidato” per mantenere la traiettoria.

    A questo punto, Perseverance avrà una velocità di circa 1.600 chilometri all’ora: un rallentamento drastico ma non sufficiente per atterrare integro… ecco che allora il Range Trigger, una tecnologia per misurare la sua distanza dall’arrivo, deciderà quando sarà il momento migliore per aprire il paracadute. Nelle previsioni ci si aspetta che accada circa 4 minuti dopo l’ingresso, a un’altitudine di 11 chilometri e una velocità di circa 1512 km/h.

    Venti secondi dopo lo scudo termico si separerà: il rover viene esposto per la prima volta all’atmosfera marziana e entrano in gioco fotocamere e strumenti che gli permetteranno un atterraggio sicuro.

    Il cratere Jezero e il probabile percorso che Perseverance effettuerà durante la sua esplorazione, tra missione primaria e eventuale estensione. Il mosaico è stato costruito con una serie di immagini riprese dal Mars Reconnaissance Orbiter e ha una risoluzione di 6 metri per pixel. Crediti: NASA/JPL-Caltech

    «Jezero è largo 28 miglia (circa 45 chilometri), ma all’interno di quella distesa ci sono molti potenziali pericoli che il rover potrebbe incontrare: colline, campi rocciosi, dune, le pareti del cratere stesso, solo per citarne alcuni», spiega Andrew Johnson, principal robotics systems engineer al Jet Propulsion Laboratory della NASA. «Per questo, atterrare su uno di questi pericoli potrebbe essere catastrofico per l’intera missione».

    È qui che entrano in campo due delle nuove tecnologie ideate per questa missione. Quello che Perseverance ha a sua disposizione è il “Terrain Relative Navigation” (TRN) che consiste di due elementi principali: una mappa della zona di atterraggio con tutti i dettagli e l’altimetria di tutti gli ostacoli che potrebbe incontrare, e una camera di navigazione. In parole semplici, durante l’atterraggio, Perseverance potrà confrontare quello che vede sotto di sé con le mappe che ha in memoria, riconoscendo gli ostacoli e potendo modificare in autonomia la traiettoria di discesa, in tempo reale, per evitarli e atterrare in una zona sicura. Questo sistema di atterraggio pilotato autonomamente è chiamato “landing vision system” (LSV).

    La sonda Mars 2020 segue un processo di entrata, discesa e atterraggio simile a quello utilizzato per l'atterraggio di Curiosity. Ha però nuove importanti tecnologie che migliorano l'entrata, la discesa e l'atterraggio: il Range Trigger, il Terrain-Relative Navigation, MEDLI2 e le sue telecamere EDL e un microfono. Nell'animazione (cliccare se non parte) vediamo la tecnica di navigazione che tiene conto del terreno su cui sta atterrnado: scattando immagini della superficie durante la discesa, il rover può determinare rapidamente se si sta dirigendo verso un'area che il team di missione ha stabilito essere pericolosa. Se necessario, una manovra di deviazione può dirigerlo verso un terreno più sicuro. Crediti: NASA / JPL-Caltech

    La sonda OSIRIS-REx ha usato un sistema simile durante la raccolta di campioni sull’asteroide Bennu, il Natural Feature Tracking (NFT), perciò non si tratta di qualcosa di completamente nuovo, ma fondato su precedenti già ben testati e usati con successo, ma comunque ha dovuto affrontare diversi test, in laboratorio e anche sul campo, nell’arco di diversi anni. Per i primi test di volo, Johnson e il suo team hanno montato l’LVS su un elicottero e utilizzandolo per stimare automaticamente la posizione del veicolo durante il volo. Ma per meglio simulare quello che dovrà affrontare Perseverance, si è reso necessario l’uso di un missile da crociera:
    «(il volo in elicottero) ci ha dato un certo grado di prontezza tecnica, perché il sistema ha potuto monitorare svariati tipi di terreno, ma non ha lo stesso modo di di discesa che avrà Perseverance», spiega Johnson. «È stato necessario anche provare LVS su un razzo».

    Un’esigenza soddisfatta dal programma di volo Flight Opportunities della NASA, con due voli nel deserto del Mojave su un razzo Masten Space System Xombie, con un sistema di decollo e atterraggio verticale (VTVL) che funziona in modo simile a un lander. Test che hanno aiutato a risolvere i dubbi che ancora c’erano sul sistema.

    «È stato quello il momento in cui siamo stati sicuri che LVS avrebbe funzionato durante una discesa verticale ad alta velocità tipica degli atterraggi su Marte» ha dichiarato Nikolas Trawny, payload and pointing control systems engineer al JPL.

    Ma nonostante tutti questi test di successo, ci sarà molto lavoro da fare dal controllo missione per monitorare e garantire un atterraggio sicuro, in particolare per controllare che la camera venga alimentata correttamente e non rischi di avere malfunzionamenti, e che tutti i dati necessari scorrano come previsto.

    I razzi propulsori che accompagneranno Perseverance durante l'ultima parte della discesa, prima dell'atterraggio, e che, controllati da una nuova innovativa tecnologia, le permetteranno di evitare gli ostacoli più pericolosi su cui potrebbe atterrare. Crediti: NASA/JPL-Caltech

    Un ultimo, ma non secondario problema è che il carburante a disposizione per i razzi del rover è ovviamente limitato, quindi non è che ce ne sia per tante manovre… Al netto di tutti i rischi, però, il sistema ha mostrato di poter funzionare e ora manca solo un giorno alla prova del nove e, nel nostro racconto, l’ultima fase dei sette minuti di terrore: l’atterraggio nel cratere Jezero.

    Siamo ora a una velocità di circa 320 chilometri l’ora, Perseverance deve liberarsi dal paracadute e usare i razzi per il resto del percorso. Il modulo di discesa si trova proprio sopra al rover, dentro il backshell, sono una sorta di jetpack con otto propulsori puntati verso il basso, che si attiva a circa 2100 metri dalla superficie, una volta che anche il backshell verrà abbandonato.

    Qui, alcune manovre impediranno al rover di sbattere contro paracadute e backshell, ormai lasciati al loro destino.

    Landing

    Ultima fase, l'atterraggio. Inizia la manovra di skycrane, letteralmente una gru dal cielo che calerà Perseverance sulla superficie di Marte e dovrà scappare via sganciando il rover appena toccherà terra per evitare di cadergli addosso. Crediti: NASA/JPL-Caltech

    Siamo a una velocità di 2,7 chilometri l’ora, circa 20 metri dalla superficie e a 12 secondi dall’atterraggio: inizia la manovra di skycrane.

    A circa 20 metri dalla superficie, il modulo di discesa abbassa il rover per mezzo di una serie di cavi lunghi circa 6,4 metri, e lo adagia lentamente al suolo. Appena Perseverance, che nel frattempo ha bloccato gambe e ruote in posizione di atterraggio, tocca il suolo, il modulo di discesa stacca le corde e vola via, per cadere poi lontano dal rover.

    I sette minuti di terrore hanno termine, e se tutto ha funzionato a dovere il rover invierà il messaggio di conclusione delle operazioni che arriverà a terra dopo 11 minuti circa… permettendo alla sala controllo di ricominciare a respirare!

    Il tutto lo si potrà seguire via streaming anche sulla nostra pagina e sui vari canali social, con il commento in italiano in diretta di astronauticast (dalle 21:00) e le trasmissioni di NASA TV (a partire dalle 20:15 la diretta per seguire l’evento, ma anche nelle ore precedenti e successive con conferenze stampa e altri contributi).

    Anche con tutti i test e i sistemi di controllo autonomi possibili qualcosa può sempre andar male, la realtà è diversa da una simulazione in cui si possono controllare tutti i parametri noti. Al Centro Controllo sono quindi pronti ad affrontare qualsiasi problema dovuto a un cambiamento delle condizioni previste.

    «E solo quando avremo il segnale dal rover che dice “Sono atterrato e sono stabile sul terreno”, solo allora potremo festeggiare!» conclude Swati Mohan, guidance, navigation and control operations lead della missione Mars 2020.

    Il prossimo appuntamento sarà poi a maggio, con la discesa del rover cinese… l’esplorazione del Pianeta Rosso continua.

    Vedi anche il video Media INAF sui sette minuti di terrore:


    Esplorazioni alle sorgenti del Big Bang. 50 anni fa l’Apollo 14. Stazione Spaziale Internazionale: 20 anni di ricerca nello spazio.

    Coelum Astronomia di Febbraio 2021
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