I SATELLITI ARTIFICIALI

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INDICE1 I SATELLITI ARTIFICIALI ........................................................................................................ 3

1.1 Che cosa sono i satelliti artificiali ......................................................................................... 3 1.2 A che servono i satelliti artificiali ......................................................................................... 3

2 L’ARCHITETTURA DEI SATELLITI ARTIFICIALI ............................................................... 10 2.1 Piattaforma e carico utile .................................................................................................... 10 2.2 Che cosa comprende la piattaforma .................................................................................... 10 2.3 La stabilizzazione ................................................................................................................ 11

2.3.1 La stabilizzazione per spin ........................................................................................... 11 2.3.2 La stabilizzazione a tre assi ......................................................................................... 12

2.4 Il sottosistema struttura ..................................................................................................... 13 2.5 Il sottosistema di alimentazione ......................................................................................... 14

2.5.1 I pannelli solari ............................................................................................................. 16 2.5.2 Le batterie ..................................................................................................................... 18 2.5.3 La distribuzione dell’energia elettrica a bordo ............................................................ 18

2.6 Il sottosistema TT&C .......................................................................................................... 18 2.7 Il sottosistema di elaborazione dati .................................................................................... 19 2.8 Il sottosistema di controllo di assetto e orbita .................................................................... 24 2.9 Il sottosistema di Controllo Termico .................................................................................. 26

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1 I SATELLITI ARTIFICIALI

1.1 Che cosa sono i satelliti artificiali

Un satellite è un oggetto che percorre un’orbita intorno ad un pianeta; si definisce “satellite artificiale” un oggetto immesso in orbita dall’uomo. La Terra ha un satellite naturale, la Luna, e molti satelliti artificiali. Altri pianeti del nostro sistema solare hanno più di un satellite naturale: per esempio Marte ne ha due, Giove ne ha 63, di cui i quattro più grandi furono scoperti da Galileo Galilei nel 1610, Saturno ne ha almeno 60.A partire dal 4 ottobre 1957, quando fu lanciato il sovietico Sputnik, sono stati immessi in orbita molte migliaia di satelliti artificiali. Oggi gli oggetti artificiali in orbita intorno al nostro pianeta sono circa 8000: fra questi vi sono satelliti ormai spenti, ultimi stadi di razzi vettori, e molti frammenti di varia grandezza. I satelliti attualmente operativi sono oltre 500: il più grande di questi è la Stazione Spaziale Internazionale.

Fig. 1 – Una visione comparativa delle lune dei pianeti del Sistema Solare (fonte: NASA).

1.2 A che servono i satelliti artificiali

Fin dal lancio dello Sputnik, gli ingegneri spaziali, gli scienziati e i militari si sono accorti che un satellite può svolgere una grande varietà di missioni:• Satelliti scientifici: sono una famiglia che raccoglie oggetti molto diversi tra di loro, così

come diverse sono le missioni scientifiche. Vi sono satelliti destinati all’osservazione dello

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spazio, come il telescopio spaziale Hubble, che potendo osservare l’universo circostante senza il velo dell’atmosfera, ha fornito agli astronomi migliaia di immagini entusiasmanti del sistema solare, e di stelle e galassie vicine e lontane. Vi sono satelliti destinati allo studio del campo magnetico terrestre, altri che analizzano i raggi X emessi dai buchi neri, altri che analizzano i raggi cosmici, e tanti altri.

Fig. 2 – Il satellite Hubble Space Telescope fotografato dallo Space Shuttle a 569 Km di altezza, con lo sfondo della Terra (fonte: NASA)

I satelliti meteorologici operano da orbite geostazionarie o polari, a seconda della periodicità delle osservazioni richieste. L’Europa utilizza prevalentemente i satelliti della famiglia Meteosat, in orbita geostazionaria. Le immagini fornite da Meteosat si possono vedere tutti i giorni anche in Televisione, quando vengono trasmesse le previsioni del tempo.

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Fig. 3 – Il satellite europeo MSG (Meteosat Seconda Generazione) con lo sfondo della Terra, ricostruzione pittorica (fonte: ESA).

Fra i satelliti in orbita polare, vogliamo ricordare la “costellazione” dei NOAA, che trasmettono con continuità immagini nella banda VHF e nella banda S, e degli europei METOP.

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Fig. 4 – Immagine pittorica di un satellite METOP in orbita polare (fonte: ESA).

• Satelliti di telecomunicazioni: sono essenzialmente dei radio ripetitori che ricevono e ritrasmettono segnali telefonici e televisivi. Le trasmissioni avvengono in genere da un continente all’altro, tramite satelliti collocati spesso in orbita geostazionaria a 36.000 Kilometri di altezza. Esistono satelliti di telecomunicazioni per impiego civile e per uso militare. Il primo satellite di telecomunicazioni fu Telstar, lanciato dalla NASA nel 1962 per conto dei laboratori Bell americani e delle Poste inglesi e francesi. Da allora ne sono stati immessi in orbita parecchie centinaia.

Fig. 5 – Il satellite Telstar del 1962 (fonte: NASA)

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Fig. 6 – Immagine pittorica del satellite di telecomunicazioni geostazionario ARTEMIS dell’ESA (fonte: ESA).

• Satelliti per l’osservazione della Terra. Un satellite in orbita a circa 800 Km di altezza, dotato di sensori ottici e di speciali radar, di cui alcuni “ad apertura sintetica”, può tenere sotto osservazione la superficie terrestre e fornire dati sull’andamento dell’agricoltura, sullo stato delle foreste, sull’inquinamento atmosferico e delle acque, sul movimento dei ghiacci polari. Questi satelliti forniscono enormi quantità di dati, la cui interpretazione, elaborazione e successiva distribuzione agli utenti interessati sotto forma di immagini richiede un grande lavoro svolto da ditte specializzate.Un esempio di satellite per l’osservazione terrestre è Envisat, lanciato dall’Agenzia Spaziale Europea nel marzo 2002. Envisat orbita a 790 Km di altezza, è dotato di 9 strumenti ottici e radar ed ha una massa di oltre 8 tonnellate.

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Fig. 7 – Immagine pittorica del satellite ENVISAT in orbita (fonte: ESA).

• Satelliti da ricognizione. Appartengono in genere alla famiglia dei satelliti per l’osservazione terrestre, ma hanno scopi militari, e quindi le loro caratteristiche sono in genere riservate e non divulgate al pubblico. Vengono spesso, e giustamente, chiamati “satelliti spia”. Lo scopo di questi satelliti è di fornire ai comandi militari informazioni molto accurate su di un certo territorio e sulle attività soprattutto militari che vi si svolgono. Vengono raccolte quindi non solo informazioni sotto forma di immagini, fotografiche ad alta risoluzione e radar, ma anche dati sulle comunicazioni radio del territorio osservato.Vi sono anche satelliti di questo tipo per impiego misto, militare e di protezione civile, da parte del paese che li ha commissionati. Un esempio è il sistema italiano COSMO-Skymed, composto da una costellazione di quattro satelliti; i primi due sono stati lanciati nel 2007 dalla base americana di Vandenberg.

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Fig. 8 – Immagine pittorica del satellite italiano COSMO-SkyMed (fonte: ASI)

• Satelliti per la navigazione: trasmettono segnali radio che consentono a qualunque veicolo dotato di apposito ricevitore, che si muova sulla superficie terrestre, o nell’aria o sul mare, di determinare con la precisione di pochi metri le coordinate della sua posizione, in latitudine, longitudine e altitudine. Il sistema oggi usato si basa sull’americano GPS (Global Positioning System), che utilizza una “costellazione” di 24 satelliti operativi in orbita ellittica il cui apogeo è a circa 20.000 Km di altezza. Nel 2012 diverrà operativo anche il sistema europeo Galileo.

Fig. 9 – Un satellite GPS (fonte: NASA).Per determinare la posizione si utilizzano i segnali radio emessi contemporaneamente da almeno 4 satelliti: il dispositivo che effettua questa funzione è chiamato navigatore

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satellitare. I navigatori satellitari per uso civile si possono acquistare in tutti i negozi di elettronica ed elettrodomestici per poche centinaia di euro.

2 L’ARCHITETTURA DEI SATELLITI ARTIFICIALI

L’architettura, cioè la forma di un satellite, l’organizzazione e la disposizione dei sottosistemi e degli apparati che lo compongono, dipendono principalmente dal tipo di missione a cui è destinato, e dal sistema di stabilizzazione. E’ infatti indispensabile che un satellite mantenga i suoi sensori correttamente puntati verso gli oggetti da osservare, e le antenne ricetrasmittenti correttamente puntate, nonostante le perturbazioni causate dall’ambiente spaziale. Un satellite deve essere quindi stabilizzato. La scelta della modalità di stabilizzazione ha una profonda influenza su tutta l’architettura.Tuttavia, esistono alcune tipologie di satelliti, in particolare di dimensioni e massa ridotte, che sono privi di qualunque stabilizzazione: sono i cosiddetti satelliti “tombolanti”.

2.1 Piattaforma e carico utile

Tutti gli apparati che servono ad un satellite per lo svolgimento di una specifica missione ne costituiscono il “carico utile”, in inglese “Payload”. Sono, per esempio, carico utile gli apparati per gli esperimenti di un satellite scientifico, o i radar e i sensori ottici di un satellite per l’osservazione della Terra.Ma il carico utile, da solo, non può funzionare in orbita: occorre una piattaforma che lo ospiti, gli fornisca energia elettrica, lo mantenga alla giusta temperatura e orienti correttamente sensori ed antenne nello spazio. Il satellite deve essere telecomandabile da terra e le stazioni terrene devono essere costantemente informate sullo stato di funzionamento di tutto quello che c’è a bordo.

2.2 Che cosa comprende la piattaforma

La piattaforma, spesso chiamata “Bus” con termine inglese, poiché funziona da veicolo di trasporto per il “passeggero” formato dal carico utile, è composta a sua volta da vari sottosistemi:• La struttura, che tiene insieme tutto il veicolo• Il sottosistema di alimentazione, che fornisce energia elettrica a tutto il satellite• Il sottosistema di telemetria, tracciamento e comando (TT&C - Telemetry, Tracking and

Command)• Il sottosistema di elaborazione dati di bordo (OBDH – On Board Data Handling)• Il sottosistema di controllo di assetto e orbita, che gestisce orientamento e posizione

orbitale, e comprende dei dispositivi di propulsione• Il sottosistema di controllo termicoPrima di analizzare più in dettaglio la piattaforma, dobbiamo parlare della stabilizzazione.

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2.3 La stabilizzazione

Stabilizzare un satellite vuol dire mantenere costante, rispetto alla Terra, al Sole o ad altri corpi celesti a seconda della missione da svolgere, l’orientamento di uno o di tutti e tre gli assi di riferimento del satellite. I metodi di stabilizzazione utilizzati sono due: • stabilizzazione per rotazione, o spin• stabilizzazione a tre assi (attiva e passiva)

2.3.1 La stabilizzazione per spin

Il metodo di stabilizzazione per spin si basa sul principio di funzionamento del giroscopio: un corpo (per esempio una ruota o un cilindro) in rotazione attorno al suo asse massimo di inerzia, tende a mantenere costante il suo momento angolare, e quindi la direzione del suo asse di rotazione, opponendosi alle perturbazioni esterne, come si vedrà in modo approfondito durante una delle esercitazioni di laboratorio. Su questo principio si basano due comunissimi mezzi di trasporto, la bicicletta e la motocicletta, che si mantengono in piedi solo se le due ruote girano. Le ruote di una bicicletta in movimento tendono a conservare il loro momento angolare e quindi a mantenere orizzontale e parallelo al terreno il loro asse di rotazione.Il momento angolare viene chiamato anche momento della quantità di moto.Il metodo di stabilizzazione per spin richiede che il satellite abbia un asse di simmetria. Il satellite cilindrico è il caso più comune, e di questo parleremo. Il satellite, al momento del rilascio in orbita, viene messo in rotazione intorno al suo asse di simmetria ad una velocità che può superare i 100 giri al minuto. Il momento della sua quantità di moto si opporrà a qualsiasi perturbazione che tenda a cambiare l’orientamento dell’asse di rotazione.Si deve dunque tenere presente che un satellite stabilizzato per spin può mantenere costante l’orientamento nello spazio di uno solo dei suoi assi.La stabilizzazione per spin ha il vantaggio della semplicità, ma presenta almeno due gravi svantaggi:• Se vi sono antenne o sensori che devono rimanere costantemente puntati, per esempio,

verso la Terra, questi vanno montati su di una piattaforma “controrotante”, che cioè, pur avendo lo stesso asse di rotazione del satellite, ruoti rispetto ad esso ad una velocità angolare uguale a quella di spin, ma di segno opposto, e quindi dalla Terra appaia ferma.

• Le celle solari, che forniscono al satellite l’energia elettrica di cui ha bisogno (ne parleremo a proposito del sottosistema di alimentazione), sono disposte sulla superficie laterale del cilindro. Una cella solare eroga in ogni istante una potenza che dipende dall’angolo dei raggi solari incidenti: la potenza è massima quando l’angolo vale 90 gradi rispetto alla superficie della cella ed è nulla quando l’angolo vale zero. Inoltre, la potenza erogata dalla metà della superficie laterale del cilindro che è in ombra è nulla.

• Un semplice calcolo di geometria ci dimostra allora che un cilindro coperto di celle solari può fornire la stessa potenza massima di un rettangolo avente come altezza l’altezza del cilindro e come base il suo diametro. Questo rettangolo ha un’area di 3,14 volte minore di quella laterale del cilindro. Quindi, affinché un pannello solare cilindrico fornisca la stessa potenza elettrica di un pannello rettangolare orientato perpendicolarmente ai raggi del Sole, occorre un numero di celle solari 3,14 volte più grande.

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Fig. 10 – Un satellite stabilizzato per spin, Intelsat VI, viene preparato per il rilascio dalla stiva dello Space Shuttle Endeavour, dopo una riparazione in orbita (fonte: NASA)

2.3.2 La stabilizzazione a tre assi

Con questo tipo di stabilizzazione, sono tutti e tre gli assi ad essere stabilizzati, mantenendo costante il loro orientamento rispetto ad un sistema di riferimento. Il satellite può avere le forme più varie, dettate dalle esigenze della missione; le antenne possono essere mantenute sempre puntate, e i pannelli solari, generalmente rettangolari, possono rimanere sempre puntati verso il Sole.Il satellite può essere stabilizzato, per esempio, rispetto alla Terra, al Sole, o ad una stella, a seconda della missione che deve svolgere. La stabilizzazione viene affidata ad un complesso sottosistema di controllo di assetto di cui parleremo in seguito. Se il controllo di assetto si guasta, il satellite va fuori controllo ed in breve tempo, a causa delle perturbazioni dell’ambiente spaziale, perde l’orientamento necessario e diviene inutilizzabile.

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Fig. 11 – Un satellite stabilizzato a tre assi, Hubble Space Telescope (fonte: NASA)

2.4 Il sottosistema struttura

Il sottosistema struttura garantisce l'integrità meccanica dell'intero satellite, sostenendo tutti i componenti del veicolo, durante tutte le fasi della missione.La struttura fornisce gli attacchi per il montaggio di tutti gli apparati, dei cavi di collegamento, delle antenne riceventi e trasmittenti, dei propulsori. Alcune parti della struttura, per esempio i pannelli che ospitano le celle solari, nei satelliti stabilizzati a tre assi sono collegate al corpo principale mediante giunti rotanti, in modo da permetterne l'orientamento ottimale rispetto al Sole, qualunque sia l'assetto del satellite.La struttura svolge anche altri compiti importanti:• facilita lo scambio termico per conduzione fra gli apparati che vi sono montati• contribuisce alla schermatura di componenti sensibili alle radiazioniPer limitare la massa del satellite, o del veicolo spaziale, la struttura deve conciliare i requisiti di robustezza meccanica e di leggerezza: a seconda della parte interessata si possono impiegare diverse tecnologie:• leghe metalliche leggere, a base di alluminio, magnesio o titanio• strutture composite a nido d'ape, formate da un sandwich di due sottili strati metallici o di

fibra vetro-epossidica con un “ripieno” metallico sagomato a nido d'ape• materiali compositi a base di fibra di carbonio.Tecnologie simili sono state sviluppate inizialmente per impiego aeronautico.

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Fig. 12 – Il satellite scientifico GOCE dell’ESA, montato su di un sistema di prova e con la struttura parzialmente visibile (fonte: ESA)

2.5 Il sottosistema di alimentazione

Tutti gli apparati di bordo richiedono energia elettrica per funzionare: il sottosistema di alimentazione si incarica di fornirla.Nello spazio vicino alla Terra è disponibile in abbondanza l’energia irradiata dal Sole: basta raccoglierne a sufficienza tramite i pannelli di celle solari, dispositivi fotovoltaici che convertono la radiazione solare incidente in energia elettrica. Questo argomento verrà trattato in dettaglio in una delle esercitazioni di laboratorio.

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La potenza elettrica utilizzata da un satellite può valere diversi kilowatt; la Stazione Spaziale Internazionale è dotata di pannelli solari che le forniscono circa 520 Kilowatt.Quando un satellite, percorrendo la sua orbita, si viene a trovare nell'ombra della Terra, i pannelli solari non forniscono più energia: occorre quindi un sistema di immagazzinamento dell’energia, costituito da batterie ricaricabili. Le batterie sono mantenute cariche a cura dei pannelli solari, quando questi sono illuminati; nel periodo d'ombra (detto anche eclissi) saranno invece le batterie ad alimentare tutti gli apparati del satellite.

Fig. 13 – schema di massima del sottosistema di alimentazione (fonte: Rodolfo Gamberale)

Fig. 14 – Il satellite è illuminato dal Sole; i pannelli solari forniscono energia (fonte: Enrico Petritoli)

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Fig. 15 – Il satellite si trova nell’ombra della Terra: l’energia deve essere fornita dalle batterie (fonte: Enrico Petritoli)

Vi sono però dei casi in cui non si possono utilizzare i pannelli solari:• se il veicolo deve rientrare a terra, come nel caso dello Space Shuttle: eventuali panelli

solari sarebbero incompatibili con l’aerodinamica del veicolo. In questo caso si usano le celle a combustibile, dispositivi elettrochimici simili a batterie che utilizzano idrogeno, oppure alcool oppure idrocarburi, e ossigeno, per produrre elettricità

• se il veicolo è destinato allo spazio profondo, per esempio verso Giove, Saturno ed oltre: qui l’energia solare giunge molto attenuata e l’uso di celle solari non è pratico perché sarebbero necessari dei pannelli di dimensioni enormi. Per missioni di lunga durata si possono usare generatori nucleari a radio isotopi (per esempio plutonio): è il caso delle sonde spaziali americane Pioneer, Voyager e, più recentemente, Cassini.

Nella descrizione che segue ci limiteremo ai sistemi di alimentazione che usano pannelli solari.

2.5.1 I pannelli solari

I pannelli solari sono costituiti da una struttura di supporto su cui sono fissate centinaia o migliaia di celle solari, collegate elettricamente fra di loro in serie ed in parallelo.Una cella solare è un dispositivo semiconduttore capace di convertire in elettricità parte dell'energia solare che incide su di essa; il resto dell'energia incidente viene convertito in calore e deve essere dissipato nello spazio non solo per evitare che i pannelli solari si surriscaldino, ma anche perché il rendimento delle celle solari diminuisce al crescere della temperatura.

Fig. 16 – Una cella solare (fonte: wikipedia)

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Si definisce rendimento di una cella il rapporto, espresso in percentuale, fra la potenza elettrica in uscita e la potenza solare incidente sulla superficie della cella.I materiali più usati per le celle solari di impiego spaziale sono:• il silicio, lo stesso materiale usato per i transistor ed i circuiti integrati. Le celle solari di

silicio hanno un rendimento pratico non superiore al 15 %, a 25 °C di temperatura: questo significa che un panello solare di 1 metro quadrato può fornire una potenza massima di circa 200 Watt a 25 °C, ad una distanza dal Sole di circa 150 milioni di Km

• l’arseniuro di gallio, con cui si realizzano celle capaci di rendimenti fino al 29 %:, ma di costo nettamente maggiore rispetto alle celle di silicio.

La maggioranza dei satelliti realizzati fino ad ora utilizza celle solari di silicio. Le dimensioni di una cella solare di silicio sono di pochi centimetri quadrati, e la tensione massima di uscita vale circa 0,7 Volt. Per questa ragione se ne devono collegare centinaia o addirittura migliaia in serie ed in parallelo per ottenere la tensione e la corrente necessarie. Il satellite più grande mai costruito, la Stazione Spaziale Internazionale, impiega 16 pannelli solari composti ognuno di 16.400 celle solari di silicio. La superficie di ogni cella è di 8 cm quadrati ed ogni pannello fornisce una potenza massima di quasi 33 Kilowatt.

Fig. 17 – Il corredo dei pannelli solari della Stazione Spaziale Internazionale, fotografato dallo Shuttle Discovery, il cui equipaggio ne ha appena completato l’installazione (fonte: NASA)

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2.5.2 Le batterie

Quando un satellite si trova nell’ombra della Terra, l’energia elettrica per i suoi apparati deve essere fornita dalle batterie ricaricabili. Quanto più bassa è l’orbita di un satellite, tanto più lunghi e frequenti sono i periodi di eclissi.Le batterie di bordo devono essere il più leggere possibile e devono sopportare molti cicli di carica e scarica: per questo motivo oggi si preferisce la tecnologia a ioni di litio, la stessa utilizzata nelle batterie dei telefoni cellulari e di molte macchine fotografiche digitali.Una batteria a ioni di litio ha una energia per unità di peso che può raggiungere i 165 Wh/Kg. Il sottosistema di alimentazione comprende anche un regolatore di carica delle batterie, che mantiene la tensione e la corrente di carica, fornita dai pannelli solari, entro i valori corretti.

2.5.3 La distribuzione dell’energia elettrica a bordo

L’energia prodotta dai pannelli solari e dalle batterie deve essere condizionata, gestita e distribuita a tutti gli apparati di bordo. Poiché le celle solari e le batterie forniscono una tensione continua, il cui valore non è adatto per tutti gli apparati, occorrono uno o più convertitori DC/DC, che non solo innalzano o abbassano il valore della tensione a seconda dell’apparato da alimentare, ma isolano gli apparati sia fra di loro sia rispetto alle linee elettriche primarie, evitando interferenze reciproche.Non tutti gli apparati di bordo devono essere operativi per l’intera durata della missione: alcuni devono essere accesi solo quando strettamente necessario, sia per risparmiare energia, sia per aumentarne la vita utile; altri, in particolare quelli ridondanti, debbono divenire operativi solo in caso di guasto dell’unità gemella. Occorrono quindi degli interruttori, realizzati tramite relè meccanici o elettronici, e telecomandabili da terra o dal computer di bordo. Parleremo della ridondanza nel capitolo dedicato al sottosistema TT&C.

2.6 Il sottosistema TT&C

Il sottosistema TT&C si chiama così dall’acronimo dell’inglese “Telemetry, Tracking and Command” che significa telemetria, tracciamento e telecomando. Il sistema TT&C deve svolgere tre compiti fondamentali:• acquisire a bordo e trasmettere a terra i dati di telemetria, che forniscono informazioni

vitali sullo stato di salute dei sistemi del satellite• ricevere da terra, e ritrasmettere verso terra un segnale che permetta la precisa

determinazione della posizione e della distanza del satellite: è la funzione di tracciamento.• ricevere da terra e distribuire a bordo i telecomandi per la gestione e la configurazione del

satellite: questa funzione è particolarmente importante se si rende necessaria una ripianificazione della missione durante il volo.

Un tipico sistema TT&C comprende:• una o più antenne: poiché il satellite può perdere l’orientamento corretto se il controllo

d’assetto non funziona bene, è essenziale che il sistema di antenne non sia molto direttivo, in modo che si possano ricevere i comandi da terra anche in condizioni di orientamento non ottimale.

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• un diplexer, che serve a separare il segnale in ricezione da quello in trasmissione• un trasponditore, cioè un apparato radio rice-trasmettitore che:

o riceve e demodula il segnale radio di telecomando, per poi inviare i dati al sottosistema OBDH

o riceve e ritrasmette a terra il segnale di tracciamento o trasmette a terra i dati telemetrici inviatigli dall’OBDH.

Fig. 18 – Schema di principio del sottosistema TT&C

La maggioranza dei satelliti oggi utilizzano per la ricezione e la trasmissione la banda S, con frequenze intorno a 2 GHz, che permette minime perdite di propagazione nel passaggio attraverso l’atmosfera, e velocità di trasmissione dati fino a 1 Mbit/s. La durata della missione di un satellite può essere di 10 anni ed oltre: durante questo periodo è essenziale che nessun sottosistema vitale vada perduto a causa di un’avaria. Uno dei sottosistemi più importanti è proprio il TT&C. Per ridurre al minimo le probabilità di guasto, le unità elettroniche non solo devono essere progettate in modo da essere “tolleranti ai guasti”, ma spesso sono almeno duplicate con una tecnica che si chiama ridondanza: se una va in avaria, interviene l’unità gemella, automaticamente o in seguito a comando da terra.

Fig. 19 – Il concetto di ridondanza ottenuta mediante duplicazione (fonte:Enrico Petritoli)

2.7 Il sottosistema di elaborazione dati

Il sottosistema di elaborazione dati è un'altra parte vitale di ogni satellite o veicolo spaziale. Spesso viene chiamato OBDH acronimo dall’inglese On Board Data Handling (elaborazione dei dati a bordo).

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Fig. 20 – Schema a blocchi del sottosistema OBDH (fonte: Rodolfo Gamberale)

I compiti essenziali di un sistema OBDH, che impiega quasi sempre uno o più computer, sono:• ricezione, e decodifica dei telecomandi dal TTC, includendo la correzione di eventuali errori

(fig. 21)

Fig. 21 – OBDH, ricezione e decodifica dei telecomandi (fonte: Rodolfo Gamberale)• distribuzione immediata di telecomandi agli apparati interessati (fig. 22)

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Fig. 22 – OBDH, distribuzione immediata e differita di telecomandi (fonte: Rodolfo Gamberale)

• distribuzione temporizzata di telecomandi da eseguire in tempo differito (fig. 22)• misura ed acquisizione dei valori di grandezze fisiche relative agli apparati di bordo:

tensioni, correnti, temperature, eccetera. Questa funzione spesso impiega delle unità periferiche di raccolta dati distribuite in tutto il satellite e collegate al centro fisico dell’OBDH tramite un collegamento digitale (fig. 23)

Fig. 23 – OBDH, misura e acquisizione di grandezze fisiche a bordo (fonte: Rodolfo Gamberale)

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• memorizzazione temporanea di tutti i dati acquisiti a bordo, quando le stazioni terrene dedicate alla missione non sono in vista, per potere effettuare una trasmissione differita (fig. 24)

Fig. 24 – OBDH, memorizzazione temporanea di dati a bordo (fonte: Rodolfo Gamberale)

• codifica dei dati telemetrici da inviare al sottosistema TT&C (fig. 25)

Fig. 25 – OBDH, codifica dei dati telemetrici per l’invio al sottosistema TT&C (fonte: Rodolfo Gamberale)

• distribuzione di segnali di tempo a tutti gli apparati interessati (fig. 26)

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Fig. 26 – OBDH, distribuzione di segnali di tempo agli apparati di bordo (fonte: Rodolfo Gamberale)

Ma c’è di più…Il computer dell’OBDH, se abbastanza potente, può anche svolgere altri compiti (fig. 27):• elaborare i dati telemetrici raccolti a bordo, per aiutare gli operatori di terra a prendere

eventuali decisioni• elaborare i dati del controllo d’assetto• elaborare almeno in parte i dati del carico utile

Fig. 27 – OBDH, elaborazione dei dati a bordo (fonte: Rodolfo Gamberale)

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Il computer dell’OBDH è talvolta riprogrammabile da terra, tramite sequenze di telecomandi (fig. 28).

Fig. 28 – OBDH, riprogrammazione del computer di bordo (fonte: Rodolfo Gamberale)

2.8 Il sottosistema di controllo di assetto e orbita

Il sottosistema di controllo di assetto e orbita viene in genere chiamato AOCS, acronimo dell’inglese Attitude and Orbit Control System. In assenza del controllo orbitale, il sottosistema prende il nome di ACS, Attitude Control System.Come già detto in precedenza, la maggioranza dei satelliti deve mantenere un assetto prestabilito. Nei satelliti moderni l’assetto è controllato a bordo da un sistema di controllo a ciclo chiuso, l’ACS appunto, che rileva ciclicamente, tramite appositi sensori, l’assetto del satellite e, se necessario, lo corregge tramite piccole coppie di rotazione generate da appositi attuatori.Le funzioni di base del controllo di assetto sono:• acquisire i dati di assetto dai sensori appositi• elaborare i dati dei sensori per valutare l’assetto attuale• calcolare l’eventuale deviazione rispetto all’assetto nominale• calcolare la coppia di correzione da applicare per correggere la deviazione• inviare agli attuatori i comandi opportuni, per ruotare il satellite fino a che non raggiunga

l’assetto voluto, e quindi arrestarne la rotazione.Il ciclo di un sistema ACS si ripete periodicamente, con una frequenza che tipicamente va da 2 fino a 10 volte al secondo.Il sottosistema ACS è composto da (fig. 29):• sensori di diverso tipo, che possono essere:

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o accelerometri, sensori di Sole, di Terra o di stelle, sensori di posizione tramite ricevitori GPS

• attuatori di diverso tipo, che possono essereo piccoli propulsorio ruote di inerzia, il cui funzionamento si basa sulla conservazione del momento della

quantità di motoo generatori elettromagnetici di coppia (magnetotorquers), in pratica dei solenoidi, il

cui campo magnetico interagisce con quello terrestre generando una coppia che corregge l’assetto.Maggiori dettagli su questi due ultimi tipi di attuatori verranno forniti durante le esercitazioni di laboratorio.

• un computer, che esegue un complesso software di controllo• un sistema di collegamento fra computer, attuatori e sensori.Se il computer dell’OBDH è abbastanza potente, gli si possono affidare anche le funzioni di controllo dell’ACS, evitando un computer dedicato.Se il satellite è dotato anche di un sistema di propulsione, se ne può controllare o modificare l’orbita (AOCS).

Fig. 29 – Schema di principio di un sottosistema AOCS (fonte: Rodolfo Gamberale)Il controllo orbitale è necessario per compensare le perturbazioni dell’ambiente spaziale e mantenere l’orbita nominale, cioè quella programmata per la missione.Modifiche dell’orbita possono essere attuate in conseguenza di nuove modalità operative.

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2.9 Il sottosistema di Controllo Termico

Il controllo termico è un insieme di accorgimenti e di dispositivi atti a mantenere tutte le parti di un satellite alla temperatura appropriata, non troppo alta per i componenti esposti al sole, non troppo bassa per quelli esposti al buio dello spazio.A questo scopo si possono usare dispositivi passivi, come coperture di speciali plastiche riflettenti (ad esempio Mylar), persiane regolabili simili alle veneziane, verniciature particolari, oppure dispositivi attivi, in genere resistenze elettriche, per riscaldare a comando determinati componenti.Una fase essenziale del progetto di un veicolo spaziale è la determinazione delle temperature di funzionamento dei vari apparati e sottosistemi come effetto:• del calore fornito dal Sole, ed in misura minore dalla Terra, o da altri pianeti• del riscaldamento dovuto alla dissipazione termica dei componenti elettrici ed elettronici• dello scambio di calore fra le varie parti del satellite per conduzione attraverso la struttura

e per reciproco irraggiamento• dello smaltimento del calore dal satellite verso lo spazio profondo, mediante irraggiamento.

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Lezione didattica:

“I satelliti artificiali”Testi:

Rodolfo GamberaleIllustrazioni:

v. in calce alle singole figure

Giugno 2009

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