Un nuovo sistema di docking per rendezvous spaziali

L'Agenzia spaziale europea (ESA) sta lavorando a un nuovo sistema per facilitare l'attracco tra due veicoli spaziali. maxon ha messo a punto due sistemi di azionamento speciali destinati a questo scopo.

SENER / maxon / Sierra Nevada Corp.
Per il sistema Hard Capture maxon ha sviluppato un motore flat EC 32 con due avvolgimenti e un riduttore planetario GPX 22 UP.
Per il comando dei ganci di ancoraggio sono presenti dodici sistemi di azionamento maxon, ciascuno dei quali è costituito da due motori brushless EC-4pole 30 e da un riduttore GPX 42 UP.

Nonostante sia già stata effettuata molte volte in passato, la manovra di aggancio tra due oggetti nello spazio è sempre una procedura delicata e potenzialmente pericolosa. La velocità è alta (circa 28000 km/h in caso della ISS) e le correzioni difficili. Per esempio, quando due oggetti stanno per incontrarsi, non è più possibile usare i propulsori di manovra, in quanto i loro pennacchi di scarico potrebbero provocare danneggiamenti. Per evitare danni, i veicoli cargo di rifornimento vengono intercettati da un braccio robotico installato sulla Stazione spaziale internazionale (ISS) e ancorati manualmente. Le capsule con equipaggio invece attraccano direttamente, tramite un processo computerizzato.

In futuro, questo tipo di manovra di attracco sarà più facile e più sicura grazie al nuovo sistema di aggancio IBDM (International Berthing and Docking Mechanism) sviluppato dall'Agenzia spaziale europea (ESA) con i suoi partner industriali. Tale meccanismo è conforme allo standard internazionale di attracco IDSS (International Docking System Standard) condiviso dalle più grandi agenzie spaziali del mondo. Il sistema sarà dunque compatibile con la stazione spaziale internazionale e con la maggior parte degli altri veicoli spaziali. Il meccanismo IBDM effettuerà le sue prime missioni con il Dream Chaser, la navetta cargo sviluppata dalla Sierra Nevada Corporation e simile a una sorta di Space Shuttle in versione compatta, che effettuerà voli di rifornimento all'ISS.

Energia d'attracco viene assorbita

IBDM è un cosiddetto sistema di attracco androgino. Questo significa che gli elementi di connessione sono identici su entrambi i lati e costituiti da un anello interno duro (Hard Capture System) e un anello esterno morbido (Soft Capture System) con sei gradi di libertà e sensori di forza. In una prima fase, l'anello esterno assorbe l'energia di attracco. Poi ha luogo la connessione finale pressurizzata, assicurata con ganci meccanici che accoppiano fermamente i due veicoli.

Dello sviluppo e dell'installazione del sistema Hard Capture è responsabile la SENER. L'azienda al momento sta lavorando sul modello di qualificazione, necessario per il collaudo entro il 2020. “Poi il sistema IBDM dovrà essere usato il prima possibile su un volo di rifornimento per l'ISS,” afferma Gabriel Ybarra di SENER. Uno dei successivi passaggi dovrebbe essere il suo impiego sulla stazione lunare della NASA, che si prevede di mandare in orbita intorno alla luna e potrebbe servire come punto di lancio per future missioni con equipaggio su Marte.

Sistema duale per la massima sicurezza

È un progetto ambizioso per gli ingegneri SENER: “Abbiamo prima dovuto comprendere a fondo tutte le specifiche richieste da ESA e NASA e quindi capire come soddisfare tali requisiti. Soprattutto dal punto di vista della sicurezza, in quanto il meccanismo di attracco può anche gestire voli con equipaggio”. Oltre ad essere leggerissimi e fornire la coppia richiesta, gli azionamenti elettrici usati devono essere anche estremamente affidabili. È per questo che SENER lavora già da diversi anni con lo specialista degli azionamenti maxon.

Per SENER gli ingegneri maxon hanno sviluppato due azionamenti utilizzabili per compiere una vasta gamma di funzioni. Il primo azionamento consiste in due motori EC-4pole brushless e un riduttore GPX UP. Dodici di questi attuatori azionano i ganci di blocco del sistema di attracco IBDM. Il secondo azionamento combina un motore flat con un riduttore planetario e viene usato in undici punti per gestire le connessioni plug-in e gli occhielli di ritegno/sicurezza, oltre ad altre funzioni ausiliarie.

Poiché il meccanismo IBDM interessa la fase critica e delicata dell'attracco in volo, sono necessari sistemi di azionamento ridondanti. Il backup deve funzionare anche in caso si guasti l'azionamento primario. La soluzione utilizzata è quella di un motore di riserva che può intervenire in caso di emergenza. Questo è l'approccio usato per l'attuatore dei ganci di ancoraggio. Per l'altro sistema di azionamento, invece, gli ingegneri maxon hanno trovato una soluzione diversa e meno convenzionale: uno statore aggiuntivo al posto di un motore extra. Il motore flat pertanto presenta due statori e quindi due avvolgimenti, ciascuno in grado di controllare il rotore in modo indipendente: una soluzione ingegnosa che garantisce la sicurezza e risparmia spazio.

Gabriel Ybarra è molto soddisfatto della collaborazione con maxon: “Il team capisce le nostre esigenze e attua molto rapidamente le modifiche al progetto”. Inoltre, entrambi i partner sono appassionati di sistemi meccatronici. “È magnifico essere coinvolti nell'intero ciclo, dalla progettazione alla produzione, fino al collaudo. Rende tutto estremamente interessante. E quando il sistema si muove per la prima volta, è come guardare i propri figli fare i primi passi”.