Un veicolo spaziale robotico è un veicolo spaziale senza equipaggio, solitamente sotto controllo telero- botico. Una sonda spaziale robotizzata progettata per effettuare misurazioni di ricerca scientifica è spesso chiamata sonda spaziale. Molte missioni spaziali sono più adatte a operazioni telerobiche piuttosto che a equipaggio, a causa del minor costo e dei fattori di rischio più bassi. Inoltre, alcune destinazioni planetarie come Venere o la vicinanza di Giove sono troppo ostili per la sopravvivenza umana, data la tecnologia attuale. I pianeti esterni come Saturno, Urano e Nettuno sono troppo distanti per raggiungere l’attuale tecnologia con equipaggio spaziale, quindi le sonde telerobiche sono l’unico modo per esplorarle.

Molti satelliti artificiali sono astronavi robotiche, così come molti lander e rover.

Storia
La prima astronave robotica fu lanciata dall’Unione Sovietica (URSS) il 22 luglio 1951, un volo suborbitale che trasportava due cani, Dezik e Tsygan. Altri quattro voli del genere sono stati effettuati nell’autunno del 1951.

Il primo satellite artificiale, lo Sputnik 1, fu messo in un’orbita terrestre di 215-939 chilometri (116 per 507 nmi) dall’URSS) il 4 ottobre 1957. Il 3 novembre 1957, lo Sputnik orbitale dell’URSS 2. Pesando 113 chilogrammi (249 libbre), Sputnik 2 trasportò il primo animale vivente in orbita, il cane Laika. Dal momento che il satellite non era progettato per staccarsi dal livello superiore del suo veicolo di lancio, la massa totale in orbita era di 508,3 chilogrammi (1,121 libbre).

In una corsa serrata con i sovietici, gli Stati Uniti hanno lanciato il loro primo satellite artificiale, Explorer 1, in un’orbita di 193 per 1,373 miglia nautiche (357 per 2,543 km) il 31 gennaio 1958. Explorer I era un 80,75 pollici (205,1 cm) di lunghezza per cilindro da 6,00 pollici (15,2 cm) di diametro di 30,8 libbre (14,0 kg), rispetto allo Sputnik 1, una sfera di 58 centimetri (23 pollici) che pesava 83,6 kg (184 libbre). L’Explorer 1 trasportava sensori che confermavano l’esistenza delle cinghie di Van Allen, una scoperta scientifica importante all’epoca, mentre lo Sputnik 1 non portava sensori scientifici. Il 17 marzo 1958, gli Stati Uniti orbitarono il loro secondo satellite, Vanguard 1, che aveva all’incirca le dimensioni di un pompelmo, e rimane in un’orbita da 360 a 2.080 miglia nautiche (670 per 3.850 km) a partire dal 2016.

Nove altri paesi hanno lanciato con successo i satelliti utilizzando i propri mezzi di lancio: Francia (1965), Giappone e Cina (1970), Regno Unito (1971), India (1980), Israele (1988), Iran (2009), Corea del Nord ( 2012), e la Nuova Zelanda (2018).

Design
Nella progettazione di veicoli spaziali, l’aeronautica degli Stati Uniti considera un veicolo costituito dal carico utile della missione e dal bus (o piattaforma). Il bus fornisce struttura fisica, controllo termico, energia elettrica, controllo di assetto e telemetria, monitoraggio e comando.

JPL divide il “sistema di volo” di un veicolo spaziale in sottosistemi. Questi includono:

Struttura
Questa è la struttura fisica del backbone. It:

fornisce l’integrità meccanica generale del veicolo spaziale
assicura che i componenti di veicoli spaziali siano supportati e in grado di sopportare carichi di lancio

Gestione dati
Questo è talvolta definito sottosistema di comando e dati. Spesso è responsabile di:

memorizzazione della sequenza di comandi
mantenendo l’orologio del veicolo spaziale
raccolta e segnalazione di dati di telemetria di veicoli spaziali (ad esempio, salute di veicoli spaziali)
raccolta e comunicazione dei dati di missione (ad esempio immagini fotografiche)

Determinazione e controllo dell’atteggiamento
Questo sistema è principalmente responsabile dell’orientamento dello spaziale corretto nello spazio (assetto) nonostante gli effetti del gradiente di gravità esterna, le coppie di campi magnetici, la radiazione solare e la resistenza aerodinamica; inoltre, potrebbe essere necessario riposizionare parti mobili, come antenne e pannelli solari.

Atterraggio su terreno pericoloso
Nelle missioni di esplorazione planetaria che coinvolgono veicoli spaziali robotici, ci sono tre parti chiave nei processi di atterraggio sulla superficie del pianeta per garantire un atterraggio sicuro e di successo. Questo processo include l’ingresso nel campo gravitazionale e nell’atmosfera del pianeta, una discesa attraverso quell’atmosfera verso una regione di valore scientifico intenzionale / mirata, e un atterraggio sicuro che garantisce l’integrità della strumentazione sull’imbarcazione è preservata. Mentre la navicella robotica attraversa quelle parti, deve anche essere in grado di stimare la sua posizione rispetto alla superficie per garantire un controllo affidabile di se stesso e la sua capacità di manovrare bene. La navicella robotizzata deve anche eseguire in modo efficiente la valutazione del pericolo e le regolazioni della traiettoria in tempo reale per evitare rischi. Per raggiungere questo obiettivo, l’astronave robotica richiede un’accurata conoscenza di dove si trova il veicolo spaziale rispetto alla superficie (localizzazione), cosa può rappresentare un pericolo dal terreno (valutazione dei pericoli) e dove dovrebbe essere attualmente diretta la navicella (evitamento di pericolo). Senza la capacità di operazioni per la localizzazione, la valutazione dei pericoli e l’evitamento, la navicella robotizzata diventa pericolosa e può facilmente entrare in situazioni pericolose come collisioni superficiali, livelli di consumo di carburante indesiderati e / o manovre non sicure.

Entrata, discesa e atterraggio
Il rilevamento integrato incorpora un algoritmo di trasformazione delle immagini per interpretare i dati immediati delle immagini terrestri, esegue un rilevamento in tempo reale ed evita i pericoli del terreno che possono impedire un atterraggio sicuro e aumenta la precisione di atterraggio in un sito di interesse desiderato utilizzando tecniche di localizzazione dei punti di riferimento. Il rilevamento integrato completa queste attività facendo affidamento su informazioni e telecamere preregistrate per comprenderne la posizione e determinarne la posizione e se è corretta o deve apportare correzioni (localizzazione). Le telecamere sono anche utilizzate per rilevare eventuali pericoli che si tratti di un maggiore consumo di carburante o di un pericolo fisico come un cattivo punto di atterraggio in un cratere o una scogliera che renderebbe l’atterraggio non molto ideale (valutazione dei pericoli).

Telecomunicazioni
I componenti nel sottosistema delle telecomunicazioni comprendono antenne radio, trasmettitori e ricevitori. Questi possono essere usati per comunicare con stazioni terrestri sulla Terra o con altre astronavi.

Energia elettrica
La fornitura di energia elettrica su veicoli spaziali proviene generalmente da celle fotovoltaiche (solari) o da un generatore termoelettrico di radioisotopi. Altri componenti del sottosistema includono batterie per immagazzinare i circuiti di alimentazione e distribuzione che collegano i componenti alle fonti di alimentazione.

Controllo della temperatura e protezione dall’ambiente
I veicoli spaziali sono spesso protetti dalle fluttuazioni di temperatura con l’isolamento. Alcuni veicoli spaziali utilizzano specchi e parasole per una protezione aggiuntiva dal riscaldamento solare. Hanno anche spesso bisogno di schermature da micrometeoriti e detriti orbitali.

Propulsione
La propulsione del veicolo spaziale è un metodo che consente a un veicolo spaziale di viaggiare nello spazio generando spinta per spingerlo in avanti. Tuttavia, non esiste un sistema di propulsione universalmente utilizzato: monopropellente, bipropellente, propulsione ionica, ecc. Ogni sistema di propulsione genera spinta in modi leggermente diversi, con ogni sistema che presenta i propri vantaggi e svantaggi. Ma la maggior parte della propulsione di veicoli spaziali oggi si basa su motori a razzo. L’idea generale alla base dei motori a razzo è che quando un ossidante incontra la fonte di carburante, c’è un rilascio esplosivo di energia e calore alle alte velocità, che spinge in avanti il ​​veicolo spaziale. Ciò accade a causa di un principio fondamentale noto come terza legge di Newton. Secondo Newton, “ad ogni azione c’è una reazione uguale e contraria”. Mentre l’energia e il calore vengono rilasciati dalla parte posteriore della nave spaziale, le particelle di gas vengono spinte in giro per consentire alla navicella di avanzare. Il motivo principale dietro l’uso del motore a razzo oggi è perché i razzi sono la forma di propulsione più potente che esista.

monopropellente
Perché un sistema di propulsione funzioni, di solito c’è sempre una linea ossidante e una tubazione del carburante. In questo modo, la propulsione del veicolo spaziale è controllata. Ma in una propulsione monopropellente, non c’è bisogno di una linea di ossidante e richiede solo la linea del carburante. Questo funziona perché l’ossidante è chimicamente legato alla molecola del carburante stesso. Ma per controllare il sistema di propulsione, la combustione del carburante può avvenire solo a causa della presenza di un catalizzatore. Questo è abbastanza vantaggioso perché rende il motore a razzo più leggero ed economico, facile da controllare e più affidabile. Ma la rovina è che la sostanza chimica è molto pericolosa per la produzione, la conservazione e il trasporto.

bipropellant
Un sistema di propulsione bipropellente è un motore a razzo che utilizza un propellente liquido. Ciò significa che sia l’ossidante che la linea del carburante sono in stati liquidi. Questo sistema è unico perché non richiede alcun sistema di accensione, i due liquidi si brucerebbero spontaneamente non appena entrano in contatto tra loro e producono la propulsione per spingere la nave in avanti. Il principale vantaggio di questa tecnologia è dato dal fatto che questi tipi di liquidi hanno una densità relativamente elevata, che consente al volume del serbatoio di propellente di essere piccolo, aumentando quindi l’efficacia dello spazio. Lo svantaggio è lo stesso del sistema di propulsione monopropellente: molto pericoloso da produrre, immagazzinare e trasportare.

ione
Un sistema di propulsione ionica è un tipo di motore che genera spinta dai mezzi del bombardamento elettronico o dall’accelerazione degli ioni. Sparando elettroni ad alta energia a un atomo di propellente (carica neutrale), rimuove gli elettroni dall’atomo del propellente e questo fa sì che l’atomo di propellente diventi un atomo con carica positiva. Gli ioni caricati positivamente sono guidati a passare attraverso griglie caricate positivamente che contengono migliaia di fori allineati precisi che funzionano a tensioni elevate. Quindi, gli ioni con carica positiva allineati accelera attraverso una griglia dell’acceleratore carica negativa che aumenta ulteriormente la velocità degli ioni fino a 90.000 mph. L’impulso di questi ioni carichi positivamente fornisce la spinta per spingere in avanti la navicella. Il vantaggio di avere questo tipo di propulsione è che è incredibilmente efficiente nel mantenere una velocità costante, necessaria per i viaggi nello spazio profondo. Tuttavia, la quantità di spinta prodotta è estremamente bassa e richiede molta energia elettrica per funzionare.

Dispositivi meccanici
Spesso i componenti meccanici devono essere spostati per essere distribuiti dopo il lancio o prima dell’atterraggio. Oltre all’uso di motori, molti movimenti di una volta sono controllati da dispositivi pirotecnici.

Veicolo spaziale robotico e senza equipaggio
La navicella robotica è un sistema appositamente progettato per uno specifico ambiente ostile. A causa delle loro specifiche per un particolare ambiente, varia notevolmente in complessità e capacità. Mentre un veicolo spaziale senza equipaggio è un veicolo spaziale senza personale o equipaggio ed è gestito da automatico (procede con un’azione senza intervento umano) o controllo remoto (con intervento umano). Il termine “astronave senza equipaggio” non implica che il veicolo spaziale sia robotico.

Controllo
I veicoli spaziali robotici utilizzano la telemetria per trasmettere alla Terra i dati acquisiti e le informazioni sullo stato del veicolo. Sebbene generalmente definiti “telecomandati” o “telerobici”, i primi veicoli spaziali orbitali – come Sputnik 1 e Explorer 1 – non hanno ricevuto segnali di controllo dalla Terra. Subito dopo questi primi veicoli spaziali, sono stati sviluppati sistemi di comando per consentire il controllo remoto da terra. L’aumento dell’autonomia è importante per le sonde lontane in cui il tempo di viaggio della luce impedisce una rapida decisione e controllo dalla Terra. Le sonde più recenti come Cassini-Huygens e Mars Exploration Rovers sono altamente autonome e utilizzano i computer di bordo per operare in modo indipendente per lunghi periodi di tempo.

Sonde spaziali
Una sonda spaziale è una nave spaziale robotica che non orbita attorno alla Terra, ma invece esplora ulteriormente nello spazio. Una sonda spaziale può avvicinarsi alla Luna; viaggiare attraverso lo spazio interplanetario; flyby, orbita o atterraggio su altri corpi planetari; oppure entra nello spazio interstellare.

SpaceX’s Dragon
Un esempio di astronave completamente robotica nel mondo moderno sarebbe il Drago di SpaceX. SpaceX Dragon è un veicolo spaziale robotizzato progettato per inviare non solo carico all’orbita terrestre, ma anche agli esseri umani. L’altezza totale di SpaceX Dragon è di 7,2 m (23,6 ft) con un diametro di 3,7 m (12 piedi). La massa di carico di lancio totale è di 6.000 kg (13.228 libbre) e una massa di ritorno totale di 3.000 kg (6.614 libbre), con un volume di carico di lancio totale di 25m ^ 3 (883 ft ^ 3) e un volume di carico di ritorno totale di 11m ^ 3 (388 ft ^ 3). La durata totale del drago nell’orbita terrestre è di due anni.

Nel 2012 SpaceX Dragon ha fatto la storia diventando la prima astronave commerciale robotizzata a consegnare merci alla Stazione Spaziale Internazionale e a riportare in sicurezza il carico sulla Terra nello stesso viaggio. Questa impresa che il Drago ha fatto è stata raggiunta solo in precedenza dai governi. Attualmente il Drago ha lo scopo di trasferire merci a causa della sua capacità di restituire quantità significative di merci sulla Terra nonostante sia stato originariamente progettato per trasportare esseri umani.

Una sonda spaziale è una missione scientifica di esplorazione dello spazio in cui una nave spaziale lascia la Terra ed esplora lo spazio. Può avvicinarsi alla Luna, entrare in interplanetario, sorvolare o orbitare altri corpi o avvicinarsi allo spazio interstellare.

Veicoli di servizio di veicoli spaziali robotici
Veicolo per la manutenzione dell’infrastruttura spaziale MDA: un deposito di rifornimento in-space e un veicolo spaziale di servizio per i satelliti di comunicazione in orbita geosincrona. Lancio pianificato per il 2015. [necessita aggiornamento]
Mission Extension Vehicle è un approccio alternativo che non utilizza il trasferimento di carburante RCS nello spazio. Piuttosto, si collegherebbe al satellite target allo stesso modo di MDA SIS, e quindi userebbe “i propri propulsori per fornire controllo di assetto per l’obiettivo”.