Mentre la navicella spaziale Hera dell'ESA per la difesa planetaria viene sottoposta ai test pre-volo, anche il sistema che la guiderà attorno al suo sistema di asteroidi binari bersaglio viene sottoposto ai controlli finali per lo spazio.
Convalida della preparazione del sistema di guida, navigazione e controllo della missione per le operazioni di prossimità in questo ambiente impegnativo a gravità ultra-bassa attraverso una lunga serie di manovre virtuali, eseguite in parallelo in Spagna e Germania.
Presso la sede di GMV, azienda sviluppatrice del sistema di Guidance Navigation and Control (GNC), a Madrid, una replica del computer di bordo di Hera viene attualmente sottoposta a operazioni di prossimità attorno a un modello di asteroide ripreso con una telecamera, per il massimo realismo, con altri sensori e attuatori emulato utilizzando apparecchiature di "check-out" personalizzate.
Nel frattempo, presso la sede del produttore di veicoli spaziali OHB a Brema, si stanno svolgendo i test utilizzando una replica hardware in scala reale del veicolo spaziale, chiamata Hera Avionics Test Bench.
"Il sistema per la fase di crociera interplanetaria di Hera, che ovviamente è la più critica per essere pronti al lancio, è ora completamente testato utilizzando il modello di volo del veicolo spaziale reale", spiega Jesus Gil Fernandez, ingegnere del GNC dell'ESA.
"Questa fase terminerà con l'arrivo dell'asteroide quando le immagini della telecamera verranno utilizzate per distinguere l'asteroide dalle stelle sullo sfondo individuando il suo movimento graduale attraverso immagini successive. GNC per la fase successiva delle operazioni di prossimità è ciò su cui ci stiamo concentrando ora, coinvolgendo la navicella spaziale inizialmente avvicinandosi a 30 km dalla coppia di asteroidi, poi molto più vicino in seguito, fino a 1 km."
Dopo il decollo avvenuto lo scorso ottobre, Hera è diretta verso un ambiente decisamente alieno. Dopo una crociera di due anni nello spazio, incluso un sorvolo su Marte che sarà utilizzato per effettuare osservazioni scientifiche di Deimos, la navicella spaziale si incontrerà con il sistema di asteroidi binari Didymos:la piccola luna Dimorphos, delle dimensioni della Grande Piramide di Giza, è in orbita a circa 1,2 km dal corpo principale di Didymos, grande quanto una montagna.
I campi gravitazionali combinati di questi due asteroidi sono decine di migliaia di volte più deboli di quelli della Terra.
In aggiunta alla natura esotica di questa destinazione, Dimorphos ha già subito un cambio di orbita attorno a Didymos, dopo che la navicella spaziale DART della NASA l'ha colpita nel settembre 2022. E questo impatto probabilmente ha rimodellato l'asteroide in modo drammatico.
Fusione dei dati per la mappatura ambientale
Per operare in sicurezza attorno a Didymos, Hera dispone di un elevato grado di autonomia a bordo. Il suo sistema di guida, navigazione e controllo (GNC) è progettato per fondere dati provenienti da varie fonti per creare un quadro coerente dell'ambiente circostante, in un approccio simile alle auto a guida autonoma.
"La sua principale fonte di dati sarà la sua principale Asteroid Framing Camera, le cui immagini verranno utilizzate sia per la scienza che per la navigazione", aggiunge Jesus. "Queste immagini saranno combinate con altri input per fare una stima affidabile della sua posizione, in particolare l'altimetro laser PALT-H della missione, che rimbalza gli impulsi laser sulla superficie dell'asteroide, così come i sensori inerziali. Questo sistema GNC è progettato per essere inizialmente gestiti manualmente da terra, ma una volta schierati i CubeSat di Hera, sarà necessaria la navigazione autonoma per raggiungere gli obiettivi principali della missione."
Durante le operazioni di prossimità, Hera manterrà Didymos inquadrato nella sua fotocamera come punto di riferimento generale, rilevando il contrasto tra i bordi dell'asteroide e lo spazio profondo attorno ad esso. La forma rilevata verrà confrontata con un modello sferico previsto. Successivamente, quando la sonda si avvicinerà a meno di 10 km da Didymos e a più di 2 km sopra Dimorphos, verrà utilizzata una tecnica di elaborazione delle immagini chiamata "centro di luminosità", focalizzata sulla posizione media dei pixel illuminati dal sole, a causa della la forma complessa e incerta dell'asteroide più piccolo.
I livelli di gravità dei due asteroidi sono troppo bassi perché la navicella spaziale possa entrare in orbita nel senso tradizionale. Invece (prendendo in prestito una tecnica dal cacciatore di comete Rosetta dell'ESA) Hera volerà in "archi iperbolici", simili a una serie di passaggi ravvicinati alternati, invertiti da regolari accensioni dei propulsori ogni tre o quattro giorni. Nel caso di qualsiasi missione normale, questa quantità di cambiamenti ripetuti di velocità esaurirebbe presto i suoi serbatoi di propellente, ma il livello di gravità attorno a Didymos è così basso che Hera volerà solo ad una velocità relativa tipica di circa 12 cm al secondo.
"Gli archi iperbolici di Era sono progettati in modo tale che, se l'accensione di un propulsore presenta un piccolo errore, la navicella spaziale si manterrebbe comunque a distanza di sicurezza dagli asteroidi", aggiunge Jesus. "Tuttavia, le basse velocità coinvolte significano che le manovre orbitali che portano Hera molto vicino agli asteroidi devono essere eseguite con molta precisione, altrimenti potrebbe esserci ancora il rischio di collisione. Pertanto, il GNC include un sistema autonomo di correzione della traiettoria, oltre a un sistema autonomo di correzione sistema di stima del rischio di collisione in grado di eseguire manovre per evitare collisioni secondo necessità."
L'autonomia di guida autonoma di Hera darà il massimo quando la navicella spaziale si avvicinerà agli asteroidi più avanti nella sua missione, spiega Jesus, "Una volta che ci avvicineremo a meno di 2 km, Dimorphos riempirà il campo visivo della telecamera. Poi arriva la modalità di navigazione più ambiziosa di tutto, basato sul tracciamento autonomo delle caratteristiche della superficie senza riferimento assoluto. Si tratterà di immaginare le stesse caratteristiche, come massi e crateri, in immagini successive per ottenere un senso dell'altitudine e della traiettoria di Hera rispetto alla superficie.
L'identificazione e la mappatura delle caratteristiche verranno utilizzate anche per ricavare la massa di Dimorphos, sebbene questa tecnica verrà eseguita da terra anziché a bordo del veicolo spaziale.
I controllori della missione misureranno le "oscillazioni" che la luna provoca al suo genitore, rispetto al comune centro di gravità dell'intero sistema Didymos. Ciò sarà ottenuto identificando piccole variazioni su scala metrologica nella rotazione di punti di riferimento fissi attorno a questo centro di gravità nel tempo.
I test GNC di alcune delle modalità in questa fase sperimentale finale continueranno dopo il lancio, per preparare la navicella spaziale prima del suo arrivo a Didymos nell'ottobre 2026.
Fornito dall'Agenzia spaziale europea
