C'è anche il fatto che le vostre operazioni possano essere più complicate: potreste non voler spendere molti soldi per avere una bici più veloce, o 'truccare' il motore della vostra auto per guadagnare ancora pochi secondi.Una bicicletta o un' auto ben costruita ed affidabile, potrebbe essere ciò che vi serve
Un c.o. è veramente un modo di operare, sviluppato dopo una quantità di pensate e di prove. Richiede una conoscenza dettagliata dei vostri strumenti (nell'esempio, la bici o l'auto), del vostro ambiente (le strade e il campo di calcio),e dei risultati che volete ottenere(arrivare a scuola o al lavoro in orario).
Il successo, cioè il raggiungimento dei
vostri obiettivi, dipende molto dalla vostra abilità nel
considerare tutti i fattori importanti, e decidere un modo di
agire prima che lasciate casa. E' anche più facile riuscire,
se non guardate ogni dettaglio, cercando di rendere ogni cosa
il più perfetta possibile. E' più facile perdere
di vista i veri obiettivi lungo la strada...Inoltre, il successo
a lungo termine si raggiungerà meglio se lascerete un qualche
margine per gli errori nel vostro progetto. Non vorrete arrivare
tardi perché si sta asfaltando una strada e dovrete fare
un giro più lungo...
C'è un'importante distinzione fra il nostro esempio e i c.o. di Cassini. Tutti noi possiamo concepire un c.o. per andare a scuola o al lavoro con la pratica, provando molte strade diverse. Le cose sono molto diverse e più difficili per i progettisti di Cassini. Non possiamo aspettare di arrivare su Saturno per sviluppare un c.o., perché il tempo è molto prezioso. Dobbiamo immaginarci tutto ora, e fare tutto bene la PRIMA volta. E tutto ciò di cui noi disponiamo è l'equivalente di una cartina stradale, un singolo serbatoio di benzina, previsioni del tempo approssimative, e una conoscenza incompleta dei nostri strumenti. Sappiamo quanto veloce va la bicicletta, ma non sappiamo niente di tutti gli inconvenienti che possono capitare: il freno può scivolare sul bagnato, la sella può dover essere stretta una volta al mese. Negli ultimi dieci anni, i progettisti di missione di Cassini hanno lavorato duramente, e studiato come fare le cose. A poco a poco è diventato chiaro che c'è un modo di base per operare, e che sono necessarie delle strategie giorno per giorno per tenere le cose sotto controllo. Alcune di queste strategie hanno a che fare con le limitate risorse per venire incontro ai diversi bisogni della navicella e degli scienziati. Ecco alcune delle principali tecniche per far fruttare i nostri soldi su Saturno !
L'obiettivo principale di Cassini (come andare a scuola) è di mandare un insieme di strumenti su Saturno per raccogliere dati scientifici, i suoi anelli, i suoi satelliti (compreso Titano), i suoi campi magnetici e l'ambiente delle particelle, e le interazioni fra di questi. Il progetto della missione ha una lunga crociera (quasi sette anni) per mandare la navicella su Saturno, e un giro di 4 anni in orbita attorno al pianeta. La fase di crociera è pianificata per avere un periodo di volo a bassa attività, durante il quale verranno eseguite solo attività inerenti la navigazione e la manutenzione ordinaria. Gli strumenti scientifici saranno spenti, eccetto che per le attività di manutenzione (un po' come tenere lubrificati gli ingranaggi della bicicletta), una calibrazione del magnetometro al passaggio vicino alla Terra, e un singolo controllo post-lancio. Due anni prima dell'inserimento in orbita di Saturno, gli strumenti saranno accesi, e saranno raccolti dati scientifici e di calibrazione. Durante il giro di Saturno, verrà eseguito un insieme completo di osservazioni scientifiche per raggiungere gli obiettivi scientifici.
La Navicella è stata progettata per avere un alto grado di autonomia. La navicella fornirà servizi generali per le dodici investigazioni scientifiche, compreso il passaggio di comandi allo strumento, la raccolta e la trasmissione della telemetria, l'orientamento verso i bersagli desiderati e fornire stabilità giroscopica, energia e controllo termico. La navicella sarà fatta volare con sufficienti margini per permettere agli strumenti di operare senza problemi, indipendentemente l'uno dall'altro, ma permettendo al tempo stesso una raccolta dati sinergica e collaborativa.
La navicella possiede un sistema di dati di bordo che comprende strumenti computerizzati in grado di controllare e gestire gli altri strumenti. Le sequenze della navicella useranno una combinazione di comandi centralizzati (per il controllo delle risorse di sistema come l'energia e il controllo termico) e di comandi per gli strumenti forniti dai computer di bordo. I dati verranno raccolti da ogni strumento secondo una cronologia determinata dalla telemetria. Questi dati saranno assemblati in segmenti e memorizzati nel registratore a stato solido o mandati direttamente alla Terra.
Le operazioni a Terra durante la crociera saranno centralizzate al JPL. Durante il tour di Saturno, le operazioni scientifiche saranno condotte da tutto il mondo e incorporate nella sequenza progettata al JPL. L'idea è di permettere agli scienziati di operare coi loro strumenti dai loro istituti remoti, con la maggior facilità e con la minima interazione possibile per condurre le loro osservazioni.
A causa di tagli di bilancio nella fase di sviluppo e della lunghezza della crociera, lo sviluppo di alcune capacità (principalmente software) sono state posposte fino a dopo il lancio. La durata di questa posposizione non è fissata, ma è chiaro che la navicella e i sistemi a terra saranno meno sviluppati nelle prime fasi della missione. Molte delle questioni aperte nei primi scenari di missione sono dovute a questi spostamenti.
Durante la crociera vi saranno aggiornamenti periodici dei c.o. e delle strategie giorno per giorno per avere gli aggiornamenti nei cambiamenti nella navicella o nelle caratteristiche della missione. Durante la crociera, dopo la selezione finale della traiettoria, verrà sviluppato un piano per le attività scientifiche. Verranno sviluppati dei Moduli (componenti base della sequenza) man mano che si acquisterà esperienza con la navicella durante la crociera, così che, all'arrivo su Saturno, la maggior parte delle sequenze sarà prestabilita con l'uso di questi moduli.
Una delle parti più importanti dei c.o. è quello che al JPL viene chiamato operazione in "modo Magellano", così chiamato dalla Missione Magellano su Venere. Uno degli obiettivi della missione Magellano era di mappare la superficie di Venere (cosa che fece, e con grande successo) con onde radio da una grande antenna. Fu scoperto un modo per usare la stessa antenna per le comunicazioni con la Terra, utilizzando parte del tempo di ogni orbita puntata verso Venere, per la mappatura del pianeta, e il resto del tempo (la maggior parte) puntata verso la Terra, mandando dati. Siccome molti degli strumenti di Cassini sono fissi (cioè imbullonati sulla navicella), Cassini deve ruotare interamente per puntare a qualche cosa di interesse, cosicchè l'approccio di Magellano funziona anche per noi. Durante le operazioni a Saturno, Cassini opererà in 'modo Magellano', osservando il sistema saturniano per 12 - 15 ore al giorno. Una volta al giorno, la navicella punterà la sua antenna ad alto guadagno verso le Terra per 9 -12 ore e trasmetterà i dati raccolti, continuando a raccogliere dati sui campi, le particelle e le onde.
La missione Cassini raggiungerà molti dei
suoi obiettivi facendo funzionare la navicella in una serie di
configurazioni standard e ben caratterizzate. Queste configurazioni
sono dette 'Modi Operativi', e le transizioni fra di loro
saranno effettuate secondo sequenze pre pianificate. Siccome non
c'è energia sufficiente per far funzionare tutti gli strumenti
contemporaneamente, i modi operativi sono stati progettati per
bilanciare il ritorno scientifico col bisogno di tenere la complessità
operativa e i costi sotto controllo. All'interno di un modo operativo,
ogni attività scientifica e della navicella non dovrà
violare i 'principi' del modo od altre regole applicabili. Il
'principio' di ogni modo sarà differente e rispecchierà
una categoria comune di attività, come le manovre propulsive
o le osservazioni RADAR.
Molti modi operativi contengono un insieme di strumenti complementari, insieme con gli appropriati livelli di supporto ingegneristico. Un modo operativo definisce quali strumenti sono accesi, come viene controllata la navicella (mediante i razzi o le spinte di reazione), un intervallo atteso di temperature ed energia. Essere in un modo operativo significa che vi sarà necessità di pianificare solo un limitato insieme di attività, problemi o manovre contingenti; i progettisti di missione non dovranno preoccuparsi di tutto contemporaneamente.
Oltre i c.o. globali della missione, ci sono una serie di modi più specifici in cui lavoreremo giorno per giorno. Ci sono molti tipi di risorse della navicella che devono essere tenute sotto controllo, per assicurarci che non si esaurisca una risorsa di cui abbiamo bisogno, specialmente durante un'attività importante (come il lancio o un' importante opportunità scientifica). Alcune di queste risorse chiave sono il carburante (quando finisce, è tutto finito), l'energia (non vorremmo avere una mancanza di corrente sulla navicella - molti componenti ne hanno bisogno per funzionare), e la velocità di trasferimento dei dati (quante informazioni il computer può tenere, muovere, e trasmettere alla Terra).
Altre risorse meno tangibili ma ugualmente importanti -se non di più - sono la complessità (quanto tempo lo staff a terra può spendere per progettare un'osservazione), il tempo (una quantità di opportunità scientifiche può avvenire molto rapidamente) e le prestazioni (più è meglio !). Inoltre, non possono essere dimenticati i costi - a minor prezzo noi costruiremo e condurremo la missione, tanto meglio sarà.
Cassini utilizza
3 tipi diversi di carburante per andare dove vogliamo, e puntare
una pesante navicella nella giusta direzione. Il primo e il più
efficiente è l' assistenza gravitazionale ! Anche
se i passaggi vicino ai pianeti non sono realmente un carburante
come noi lo pensiamo, (non ci sono pompe di benzina vicino alla
Terra per fare il pieno ....) li usiamo esattamente come carburante
per cambiare la traiettoria nello spazio. Mentre siamo in orbita
attorno a Saturno, i progettisti di missione usano molti passaggi
ravvicinati a Titano per girare attorno a Saturno in diversi modi.
E siccome non ce n'è un numero infinito di questi passaggi,
essi vanno pianificati con molta cura perché funzionino
al meglio.
Il secondo, un combustibile 'tangibile' è il bipropellente, usato dal motore principale di Cassini per le grandi manovre propulsive. Anche con l'enorme aiuto delle assistenze gravitazionali, Cassini ha ancora bisogno di eseguire una quantità di manovre propulsive per tenersi nella giusta direzione alla giusta velocità.
Vi sono 4 grandi manovre propulsive in cui non potremo usare l'assistenza gravitazionale: la manovra dello Spazio Profondo, fra i due incontri con Venere, per puntare correttamente al secondo incontro gravitazionale con Venere.L'inserimento in orbita di Saturno (SOI - Saturn Orbit Insertion) che rallenterà la navicella abbastanza per metterla in orbita attorno a Saturno, La manovra di raggiungimento del periasse - Periapsis Raise Maneuver - molti mesi dopo l'arrivo a Saturno che alzerà il punto più vicino a Saturno (chiamato il periasse), al di fuori degli anelli interni di Saturno, e la manovra di deflessione dell' orbiter- Orbiter Deflection Maneuver - eseguita dopo il rilascio della sonda Huygens per impostare la corretta geometria per la missione della sonda.
Il bipropellente è composto da due ingredienti: mono-metil idrazina e tetraossido di azoto. Diciamo che funzionano molto bene insieme, si accendono facilmente quando messi insieme (non preoccupatevi l'incontro avviene solo nei motori), sono facili da immagazzinare e non congelano alle temperature che ci aspettiamo su Cassini.
Il terzo tipo di carburante è l' idrazina, che è usato dai motori di controllo della reazione per manovre molto piccole e per puntare la navicella in diverse direzioni (manovre rotazionali). Attualmente si prevede che Cassini utilizzi meno della metà dell'idrazina per la missione primaria, così siamo fiduciosi che vi sia molto margine per la missione estesa.
Lo sapevate...? Cassini utilizzerà regolarmente l' antenna maggiore del Deep Space Network - 70 metri di diametro - quasi un campo di football.
Cassini comunica con la Terra tramite una Antenna ad alto guadagno (HGA - high gain antenna) di 4 metri e 2 antenne a basso guadagno (LGA - low gain antenna) a fascio largo, entrambe le quali comunicano con la terra in banda X. L' HGA trasmette dati alla Terra (downlink) ad una frequenza di circa 8,4 GHz. In confronto la banda FM delle vostre radio è centrata a circa 100 MHz. La Terra manda comandi alla navicella ad una frequenza di circa 7,2 GHz (uplink). Le due frequenze sono diverse perché così l'uplink non interferisce col downlink (come due programmi radio trasmessi dalla stessa stazione).
LA velocità di trasmissione dei dati verso la Terra varia da circa 40 bit al secondo, la quantità di dati trasmessa in una normale conversazione telefonica, a circa 170.000 bit al secondo - equivalente a circa 1/8 delle informazioni che passano in un lettore CD musicale. Le basse velocità sono usate essenzialmente durante la crociera, quando non vi sono molti esperimenti scientifici da condurre e non è possibile puntare l'HGA direttamente verso la Terra per motivi di temperatura. Una volta che la navicella raggiungerà Saturno, la velocità più bassa sarà di circa 14.000 bit al secondo.
L' HGA è così chiamata perché la forza del segnale è ottenuta focalizzando l'energia radio in uno stretto fascio molto concentrato. Infatti la maggior parte della potenza è concentrata in metà di un grado (circa un settecentesimo di un cerchio).
Le LGA, d'altra parte hanno un fascio radio più largo, che permette alla navicella di comunicare con la Terra quando le circostanze impediscono di puntare l'HGA direttamente verso la Terra. Vi sono due LGA, una che punta nella stessa direzione dell'HGA, e una in direzione della sonda Huygens, ad angolo retto rispetto alla prima LGA.
VI sono 3 complessi del Deep Space Network (DSN) che supportano l'uplink e il downlinl all'orbiter: a Goldstone, California, Madrid, Spagna, and Canberra, Australia. Questi siti sono stati scelti a longitudini molto diverse, per fornire controllo continuo a ogni navicella interplanetaria durante la rotazione terrestre. L'equipaggiamento di ogni sito è molto simile.
Cassini userà le antenne da 34 metri e da 70 metri in ogni sito, ma specialmente quelle di Madrid e di Goldstone, dopo l'arrivo su Saturno. Per aumentare le prestazioni, più di un'antenna potrà essere usata simultaneamente in un 'array' per aumentare la forza del segnale ricevuto.
Si potrebbe pensare
che abbiamo tutte le antenne che ci servono, anche una da 70 metri,
che è grande quasi come un campo da calcio, sembrerebbe
che potrebbe catturare qualunque segnale, non importa quanto debole.
Non è così. I segnali da Cassini sono così
deboli quando raggiungono la Terra da Saturno, che spesso
avremo da unire lo sforzo di più antenne per ottenere la
quantità di dati che vogliamo. Anche ora, vengono fatti
dei piani per aggiungere stazioni al DSN, alcune delle quali possono
essere usate per aumentare la già grande flotta di antenne
di comunicazione che usa Cassini.
Un altro fattore che complica le cose è il 'tempo luce'. Siccome la radiazione elettromagnetica viaggia a velocità finite - circa 300.000 km/sec - e Saturno è molto distante -ci vuole un po' perché i dati arrivino sulla Terra e viceversa. Dopo l'arrivo su Saturno, il 'tempo luce' dalla Terra su Saturno è circa da 70 a 90 minuti. Ciò significa che la navicella non riceve i segnali che 70 o 90 minuti dopo che sono stati mandati, con lo stesso ritardo sulla Terra per ricevere la telemetria dalla navicella. Pensate di parlare con qualcuno per telefono e aspettare da un'ora e mezza a tre ore perché loro rispondano al vostro saluto !.
Cassini usa un registratore a stato solido - Solid State Recorder (SSR) come memoria principale e mezzo di ricerca. La navicella è equipaggiata con 2 SSR, ognuno con 2.000.000.000 di bit liberi. Tutti i dati registrati e rimandati sulla Terra dal SSR sono controllati dal sottosistema dati e comandi - Command and Data Subsystem (CDS), che spesso agisce come un poliziotto per assicurarsi che tutti i dati siano al sicuro finché non vengono mandati sulla Terra. Fra le altre attività, il CDS ha il compito di prendere i dati dai vari strumenti (come un immagine degli anelli o una misurazione del campo magnetico), e metterli al sicuro nel SSR, cosicchè lo strumento possa esaminare qualcos'altro.
Quando si sarà su Saturno, uno scopo principale del SSR, sarà di immagazzinare dati scientifici e sullo stato della navicella durante i periodi di osservazione (quando l'HGA non potrà essere puntata alla Terra perché gli strumenti avranno bisogno di essere puntati ad un obiettivo scientifico interessante) per poterli ritrasmettere durante i periodi di downlink. Durante i giorni di alta attività, quando ci sarà una quantità di opportunità scientifiche, entrambi i SSR saranno usati per immagazzinare 4.000.000.000 di bit di dati; quando le opportunità scientifiche saranno più rare (durante i cosiddetti 'giorni di bassa attività'), saranno raccolti fino a 1.000.000.000 di bit di dati. Questi dati saranno salvati fino a che l'HGA non sarà puntata verso la Terra per passarli al DSN, tipicamente una volta al giorno.
Molti strumenti raccolgono dati a velocità imprevedibili, per la compressione dei dati che usano. La compressione dei dati è un modo per salvare solo quella parte di dati in cui siamo interessati . Con le immagini, la quantità di dati dell'immagine compressa dipende da cosa è composta l'immagine stessa. Per esempio, un' immagine composta principalmente da spazio nero (diciamo una luna distante), può essere meglio compressa che un primo piano di Saturno o di un satellite, siccome le zone nere, che hanno meno dettagli, si comprimono di più.
La raccolta dei dati a velocità non prevedibili, significa che il CDS ha l'importante compito di 'poliziotto dei dati'. il CDS deve assicurarsi che uno strumento non usi lo spazio sul SSR che è già stato richiesto da un altro strumento, per esempio quando la compressione dei dati è minore di quanto richiesto.
I due più comuni tipi di navicella spaziale sono giro-stabilizzati o stabilizzati sui tre assi. Il primo, come le sonde Pioneer o Galileo, ottengono la stabilizzazione con la rotazione, cosicchè l'intera navicella agisce come un giroscopio, un po' come una trottola. Le navicelle stabilizzate sui tre assi, come Voyager o Cassini mantengono un orientamento fisso, tranne che durante le manovre.
L'orientamento e i rapporti di rotazione sono mantenuti dal Sistema di Controllo e Attuazione - Attitude and Control System (AACS), che utilizza uno di due modi di controllare il movimento. Le Ruote di Reazione sono pesanti ruote sulla navicella che quando fatte ruotare, fanno ruotare la navicella nella direzione opposta. Le ruote sono molto stabili, ma non possono far muovere la navicella molto rapidamente. I razzi di spinta, o Thrusters, sono dei piccoli jet sulla navicella che usano l'idrazina per controllare il movimento, come lo Space Shuttle. Questi jet non sono accurati come le ruote e utilizzano combustibile, ma possono far ruotare la navicella molto più rapidamente.
Durante la crociera, la navicella usa i thruster per controllare il suo movimento (di solito per rimanere puntata verso il Sole), innanzitutto perché questo è il modo più semplice e fa il lavoro molto bene. Inoltre, quando la navicella deve essere puntata dalla parte opposta del Sole, è bene farlo velocemente, per evitare il surriscaldamento della navicella stessa.Alcune manovre durante la crociera sono piccole abbastanza per poter essere fatte con i thrusters, senza usare il motore principale, rendendo più semplici le operazioni.
Dopo l'arrivo su Saturno,
per la maggior parte del tempo la navicella userà le ruote
di reazione, per avere più stabilità per l'utilizzo
delle foto camere per i sensori remoti. Inoltre, le ruote non
usano combustibile, ma energia, che è una fonte rinnovabile
fornita dai generatori di bordo. Occasionalmente, una o due volte
alla settimana, le ruote devono essere scaricate. Questo avviene
quando i thruster e le ruote funzionano contemporaneamente, e
i thruster permettono alle ruote di rallentare. Di tanto in tanto
le ruote devono accelerare per compensare alcuni fattori ambientali,
come il vento dall'atmosfera di Titano durante un passaggio ravvicinato.
Quando le ruote devono rallentare, viene eseguito uno 'scarico
delle ruote di reazione' con l'aiuto dei thruster.
Durante la missione, vi sono molte manovre propulsive (opposte alla rotazione della navicella) che devono essere eseguite per correggere l'orbita. Alcune di queste manovre sono prevedibili, pianificate nella traiettoria, perché non c'è altro modo (come il passaggio ravvicinato ad un pianeta) per andare da un posto all'altro. Queste sono chiamate manovre deterministiche e sono molto ampie. Una delle più importanti è l'inserimento in orbita di Saturno (SOI), che impedisce alla navicella di sfuggire dalla gravità del pianeta al suo arrivo.
Molte manovre, comunque, sono richieste per errori imprevedibili nel cammino della navicella. Anche la più piccola spinta o errore di manovra, durante la lunga crociera, dovrà essere eliminata con un'altra manovra. Queste sono chiamate manovre statistiche e non ve ne dovrebbero essere nella situazione ideale
La missione ha una quantità limitata di propellente che può essere usata per eseguire le manovre. Questa quantità è anche chiamata 'quantità Delta V'. Delta V sta per 'cambiamento di velocità e rappresenta quanto la navicella può cambiare velocità e direzione durante la missione. Un Delta V di un metro al secondo è considerato piccolo, mentre un delta V di centinaia di metri al secondo è considerato grande, (come la SOI).
In ogni attività(come la nostra passeggiata in bici o gita in macchina), è una buona idea lasciare un margine per gli errori e le attività inattese. I margini , quando impostati ad un livello ragionevole, non sono perdite di risorse, e migliorano significativamente le possibilità di successo. Infine, i margini riducono lo stress, sia esso psicologico da parte dei progettisti di missione, o sulle risorse della navicella. Nel nostro esempio, lasciare un'ora di margine per andare a scuola, è forse troppo; pochi minuti, d'altra parte, vi lascerebbero troppo poco tempo per arrivare a destinazione.
I progettisti di missione usano i margini per ogni attività pianificata su Saturno. Ci sono molti tipi di margine, tutti riguardanti la messa da parte di risorse come il tempo, il propellente, i componenti vitali, o la sicurezza, che i progettisti usano insieme per garantire il successo senza penalizzare le attività scientifiche.
Due buoni esempi di margini che i progettisti hanno implementato, sono i margini di tempo e l' altitudine del passaggio su Titano. I margini di tempo sono il tempo messo da parte durante lo sviluppo delle sequenze, per permettere l'esecuzione delle attività aggiunte in un secondo tempo e prevenire l'incertezza sulla durata delle attività stesse. Per la sequenza finale, sono contati circa due minuti all'ora. Durante i passaggi vicino a Titano, viene conteggiato un margine in termini di altitudine, per garantire che il 'vento' dall'atmosfera di Titano non sia più di quanto la navicella può sostenere. Siccome non conosciamo l'atmosfera di Titano molto bene, (vi sono solo una quantità di immagini ed altri dati) dobbiamo fare delle supposizioni, ma è difficile che l'atmosfera sia così densa da farci elevare la distanza di passaggio.
