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  • Previsione della densità dell'aria in volo per un atterraggio più accurato

    Credito:CC0 Dominio pubblico

    Negli ultimi minuti di atterraggio di un veicolo spaziale si muove a velocità ipersoniche attraverso molti strati dell'atmosfera. Conoscere la densità dell'aria all'esterno del veicolo può avere un effetto sostanziale sul suo angolo di discesa e sulla capacità di colpire un punto di atterraggio specifico. Ma i sensori di densità dell'aria in grado di resistere alle dure condizioni ipersoniche sono rari. Uno studente dai Paesi Bassi, lavorando con un ingegnere aerospaziale presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, sviluppato un algoritmo che può essere eseguito a bordo di un veicolo, fornendo importanti dati in tempo reale per aiutare a guidare l'imbarcazione, soprattutto durante l'ingresso cruciale, discesa, e pontile.

    "L'algoritmo che abbiamo creato può essere eseguito in volo, a bordo del veicolo e stimare com'è l'atmosfera all'esterno, " disse Hamza El-Kebir, uno studente universitario alla Delft University of Technology. "Quindi questo è un completo punto di svolta, perché ora puoi utilizzare le conoscenze precedenti sul movimento del veicolo per stimare la densità dell'aria, informa le tue decisioni in volo, e apportare piccole modifiche al tuo corso. Questo può fornire più certezza che raggiungerai quel punto, invece di avere a che fare con una guida davvero conservatrice."

    El-Kebir ha condotto la ricerca con Melkior Ornik, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale presso l'U di I, durante un semestre all'estero e inizierà la scuola di specializzazione in Illinois in autunno. Ha detto che il suo lavoro è nuovo perché utilizza i dati di sensori che non erano destinati a fornire dati sulla densità dell'aria. "Estrae le informazioni sulla densità utilizzando algoritmi davvero ingegnosi che non richiedono alcuna conoscenza reale dell'aerodinamica o dell'atmosfera".

    Ornik ha spiegato come l'algoritmo apprende la densità dell'aria. "L'algoritmo parte quasi dal nulla. Non sa nulla della densità dell'aria. Raccoglie dati da accelerometri e giroscopi disponibili su qualsiasi veicolo per raccogliere dati, e lo combina con le conoscenze precedenti sulla velocità massima di accelerazione per ottenere una stima variabile nel tempo della densità dell'aria. E ottiene, in un senso, più intelligente nel tempo. Cambia le sue stime a bordo, in base ai dati di input che riceve."

    El-Kebir e Ornik hanno utilizzato i dati acquisiti dalla voce, discesa, e l'atterraggio del lander Phoenix, una sonda scientifica su Marte, che rappresenta gli ultimi 220 secondi, la fase balistica, fino al lancio del paracadute.

    "Non c'è sterzo nella parte successiva di quella fase, quindi è molto importante conoscere immediatamente la densità dell'aria nel regime di flusso rarefatto, da circa 80 chilometri in su. Quando entra in quella parte successiva, il suo angolo della traiettoria di volo si fissa e il veicolo scende, e risente appena della direzione del vento, " disse El-Kebir.

    E se la Fenice avesse l'algoritmo?

    "Se conosci la densità dell'aria, puoi stimare il tuo angolo di attacco rispetto al vento. Potresti anche prevedere come sarà la densità in futuro, così puoi prendere decisioni. Non c'era controllo su Phoenix durante la fase balistica. Se avesse la conoscenza della densità dell'aria, avrebbe avuto un vantaggio. Avrebbero potuto sfruttare i dati e atterrare in modo più accurato".

    Ornik ha detto che spesso si presume che esista un modello fisso che conosciamo in anticipo e scopriamo metodi di controllo che portano il veicolo a terra. "Questo è spesso un presupposto forte. Spesso è sbagliato perché non si tratta solo della densità dell'aria. A causa della velocità e dell'impatto con l'aria, i veicoli ipersonici cambiano leggermente forma durante il volo e questo cambia la loro dinamica durante il volo."

    "Quindi non abbiamo un modello unificato che descriva l'intero volo perché le dinamiche cambiano gradualmente nel tempo. Conosciamo il tasso massimo di cambiamento, quindi con questo algoritmo possiamo sfruttare quella conoscenza per creare un preventivo, " ha detto Ornico.

    El-Kebir ha detto che ci sono altri campi a cui questa conoscenza può essere applicata, anche al di fuori dell'aerospaziale e persino dei veicoli. Sta cercando modi per usarlo in elettrochirurgia per prevedere il campo di temperatura durante un'operazione chirurgica in modo che il chirurgo possa sapere quanto è profondo il taglio.


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