Studio delle Condizioni Meteorologiche Marziane nel Pathfinder Site mediante un’Analisi Teorica e Sperimentale di un Modello Numerico di Previsione Atmosferica alla Mesoscala e Sviluppo di un’Interfaccia Software

Introduzione
La Meteorologia è la fisica classica Newtoniana applicata all’atmosfera: il
moto obbedisce alla seconda legge di Newton, il calore soddisfa le leggi della
termodinamica, e così via. Quando le leggi della fisica sono applicate ad un
fluido come l’aria, esse descrivono i processi fisici tipici della meccanica e
della dinamica dei fluidi.
La meteorologia è, dunque, la meccanica dei fluidi applicata all’atmosfera.
L’atmosfera è però un sistema di fluidi estremamente complesso e tale com-
plessitàèdovutaalleinnumerevoliinterazioniframoltepliciprocessifisici, che
avvengono in luoghi diversi. Per esempio le differenze di temperatura crea-
no le differenze di pressione, che guidano i venti, i quali trasportano anche
vapore acqueo; quest’ultimo può condensare e rilasciare calore, alterando a
sua volta le differenze di temperatura. Ve ne sono tantissimi di questi ‘circoli
viziosi’, chiamati più correttamente ‘feedbacks’ e sfortunatamente introduco-
no comportamenti non lineari, complicando ulteriormente la situazione. Ciò
rende l’atmosfera un sistema dinamico caotico, cioè un sistema che è sì deter-
ministico (l’evoluzione futura del sistema dipende solamente dalla sua storia
passata), ma anche difficilmente prevedibile, in quanto è molto sensibile alle
condizioni iniziali: un errore anche infinitesimo nella conoscenza dello stato
del sistema ad un certo istante, può provocare un grande errore nella previ-
sione, specie a medio e lungo termine.
Tuttavia è anche grazie a questo comportamento caotico e complesso del-
l’atmosfera che è possibile l’esistenza di fenomeni così affascinanti, suggestivi
e la cui descrizione e comprensione rappresenta un vera sfida per l’uomo:
temporali, tornado, uragani, fronti, correnti a getto, precipitazioni; tutti fe-
nomeni che più o meno direttamente influenzano la nostra esistenza e che
confluiscono nel termine fisico più ampio di ‘turbolenza’, la quale probabil-
mente costituisce l’ultimo problema irrisolto della fisica classica. Si racconta
che fu chiesto ad Heisenberg, sul letto di morte, che cosa avrebbe chiesto a
Dio se ne avesse avuto la possibilità. La sua risposta fu ‘Quando incontrerò
Dio gli farò due domande: perché la relatività e perché la turbolenza. Credo
proprio che Egli avrà una risposta per la prima’.
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Anche se non si è certi dell’attendibilità di questo aneddoto, di sicuro esso
rende conto del fatto che molti scienziati di grosso calibro si sono dedicati
allo studio della turbolenza senza riuscire nel loro sforzo. Questo fenomeno
infatti ha da sempre appassionato il genere umano, in quanto è costante-
mente presente nella vita di tutti i giorni. Solo per citare alcuni esempi,
l’intrecciarsi di vortici dovuti allo scorrere dell’acqua in un fiume, i disegni
creati dal fumo di una sigaretta, gli scherzi provocati dal vento, la scia dietro
una nave o la formazione di nuvole di fumi e polveri a seguito di un’eruzione
vulcanica, sono tutti tracce evidenti della presenza della turbolenza in ciò
che ci circonda.
Dalpuntodivistamatematico, ilconcettoditurbolenzasiidentificaconquel-
lo di comportamento caotico delle soluzioni delle equazioni di Navier-Stokes,
che permettono di conoscere molti aspetti del comportamento atmosferico,
sebbene possano essere risolte solo in modo impreciso, in quanto troppo com-
plesse.
Per tutti questi motivi la previsione meteorologica numerica (NWP Numeri-
cal Weather Prediction) costituisce uno degli aspetti più affascinanti e com-
plessi della fisica dell’atmosfera. Oggi si può affermare che l’obiettivo di
conoscere in anticipo l’evoluzione del tempo con un ragionevole grado di af-
fidabilità è stato finalmente raggiunto, grazie soprattutto allo sviluppo degli
elaboratori elettronici, e la rete Internet mette attualmente a disposizione i
risultati dei modelli di previsione ad un pubblico sempre più vasto che varia
dagli scienziati ricercatori agli amatori.
La ricerca si è dunque rivolta alla previsione e la simulazione atmosferi-
ca di fenomeni extra-terrestri, focalizzando la propria attenzione sul pianeta
Marte, oggetto dellamaggiorparte delle missionispaziali degli ultimi decenni.
Il Pianeta Rosso, infatti, è sempre stato considerato molto simile alla Ter-
ra; la durata del giorno è quasi uguale e, per la sua inclinazione rispetto al
piano dell’orbita, anche su Marte le differenze stagionali durante l’anno sono
notevoli: pur essendo molto freddo, le calotte polari cambiano aspetto con le
stagioni. Tali analogie hanno permesso agli scienziati di estendere i modelli
numerici di previsione meteorologica, largamente applicati sulla Terra, anche
al pianeta Marte. L’applicazione di questi ultimi, in unione alle osservazioni
delle sonde, ha permesso di scoprire che una caratteristica peculiare della
meteorologia marziana è costituita dalle intense tempeste di sabbia che si
levano dalle regioni polari e spazzano l’intero emisfero marziano. Inoltre il
grande sbalzo di temperatura che si verifica durante l’estate genera spesso
dei venti che si muovono con velocità superiore ai 400 km all’ora. Queste
immense tempeste coprono per alcuni mesi l’intero pianeta sino a sommer-
gerlo sotto un velo di caligine e il movimento a vortice del vento produce
le forme di erosioni ben evidenti ai poli. Essi si estendono per centinaia di
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chilometri in zone che presentano una stratificazione, nella quale si alternano
polvere e ghiaccio, dal cui studio si possono individuare precise variazioni
climatiche: periodi in cui il clima è più mite (rivelati dagli strati di polvere),
si alternano a periodi più rigidi (identificati dagli strati di ghiaccio). Sulla
Terra la maggiorparte dei fenomeni atmosferici sono regolati o generati dal
ciclo dell’acqua, che ricopre quasi i due terzi del nostro pianeta; anche su
Marte, sebbene le caratteristiche fisiche ed atmosferiche certamente non ne
permettano l’esistenza allo stato liquido, si può parlare di un ciclo dell’acqua:
una grande riserva di ghiaccio, sedimenti e polveri è rappresentata dalla ca-
lotta polare Nord, che durante il riscaldamento estivo della superficie diventa
fonte di vapore acqueo atmosferico. Oltre a queste analogie con la Terra, ci
sono anche profonde differenze, ad esempio la temperatura oscilla fra decine
di gradi sotto lo zero e pochi gradi sopra, con escursioni termiche giornaliere
anche di 50
 ; l’atmosfera è circa 100 volte meno densa di quella terrestre, co-
stituita soprattutto da anidride carbonica che, specialmente ai poli, solidifica
durante l’inverno; infine la superficie di Marte è desertica, ricoperta di una
polvere di ossido di ferro, dal colore rosso ruggine: sollevata dai venti, essa
colora anche l’atmosfera.
Tali ricerche sulla meteorologia marziana sono finalizzate, oltre ad uno
sviluppo della conoscenza dell’universo che ci circonda, ad un miglioramento
delle prestazioni e degli esiti delle missioni spaziali. Infatti conoscere più a
fondo l’ambiente in cui devono essere spedite le sonde, permette di affinare,
ottimizzare e potenziare le fasi di progettazione, analisi e preparazione delle
missioni su Marte.
E’ in questo contesto di miglioramento delle future tecnologie, orientate al-
l’esplorazione spaziale, che si inquadra la mia tesi. Essa è il risultato del
lavoro di ricerca e sviluppo che ho svolto presso il COllaborative System En-
gineering(CO.S.E)Centredell’aziendaThalesAleniaSpaceItalia, all’interno
del quale è stato creato il VR-Lab, un laboratorio in cui vengono sviluppa-
te tecnologie di Realtà Virtuale, in quanto Thales Alenia Space ritiene che
in futuro, ancora più di oggi, la Realtà Virtuale permetterà di velocizzare
notevolmente la fase di sviluppo, portando ad un notevole risparmio di tem-
po e denaro. Il VR-Lab è diventato operativo da aprile 2004 e da allora è
stato di supporto a molti progetti in fase A, cioè a definizioni concettuali,
oltre che ad analisi di accessibilità per l’integrazione, le prove e la logistica
dei nuovi progetti. I vantaggi riscontrati si riferiscono principalmente alla
visione in scala 1:1 dei prodotti; alla possibilità di analizzare in anticipo e in
modo collaborativo problemi altrimenti riscontrabili solo a prodotto finito;
all’accorciamento drastico dei tempi di decisione della baseline di progetto,
a tutti i livelli manageriali e alla fruibilità della documentazione prodotta
in formato video, utile per tutte le discipline che partecipano al progetto.
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I vantaggi di questa nuova tecnologia, per quel che riguarda Thales Alenia
Space, sono quindi stimati, nel breve termine, nella riduzione di anomalie dei
sistemi, nel miglioramento della collaborazione tra i vari gruppi di lavoro e
nella migliore condivisione delle informazioni.
E’ dunque in questo ambiente che si inserisce il mio lavoro, il cui obietti-
vo consiste nello studio delle condizioni meteorologiche nel Pathfinder Site
(luogo prescelto per l’atterraggio dei Lander delle prossime spedizioni), at-
traverso l’analisi teorica e sperimentale di un modello numerico di previsione
alla mesoscala, volto ad applicazioni nell’ambito della realtà virtuale, la quale
è finalizzata alla simulazione di ambienti spaziali, utile nella fase di proget-
tazione e di analisi delle missioni e si colloca in un contesto di miglioramento
delle tecnologie.
Il modello da me proposto è stato sviluppato a partire dall’analisi e dal
confronto di modelli numerici di previsione atmosferica alla mesoscala ter-
restri e marziani e costituisce un primo passo verso la simulazione dell’at-
mosfera del Pianeta Rosso, la proposta di un punto di partenza per studi
successivi, attraverso la formulazione di un modello con solide basi teoriche e
sperimentali fisico-matematiche, ma al tempo stesso compatibile con i tempi
predisposti per concludere il progetto, con le potenze di calcolo disponibili e
con il bagaglio culturale offertomi dal percorso di studi. Tale modello, pur
essendo basato su un’approssimazione delle condizioni atmosferiche marzia-
ne, ha prodotto buoni risultati, in relazione all’applicazione di simulazione
in realtà virtuale per cui è stato progettato, ma può essere ulteriormente
migliorato.
Il modello matematico utilizzato descrive l’atmosfera su un’area limitata e si
basa sulle equazioni di governo dei moti atmosferici di Navier-Stokes mediate
alla Reynolds, unite ad una parametrizzazione di ordine zero dei termini non
lineari dovuti alla presenza di flussi turbolenti di piccola scala, mentre la sua
soluzione numerica è ottenuta con il metodo Leapfrog alle differenze finite.
Il processo di inizializzazione (fase di acquisizione e pre-elaborazione delle
condizioni al contorno) è svolto invece da un’interfaccia software da me im-
plementata, associata al Mars Climate Database, contenente le informazioni
sulle variabili meteorologiche principali e sulla composizione chimica dell’at-
mosfera marziana, realizzato mediante un modello di circolazione generale
(General Circulation Model - GCM) e sviluppato da LMD (Paris), AOPP
(Oxford), Dept. Physics & Astronomy (The Open University) e IAA (Gra-
nada), con il supporto della European Space Agency e del Centre National
d’Etudes Spatiales.
Infine vorrei porre l’accento sul fatto che, avendo svolto il mio lavoro all’inter-
no di un laboratorio di realtà virtuale, è stata prestata particolare attenzione,
durante l’analisi sperimentale del progetto, alla fase numerico-informatica di
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implementazione del modello e allo sviluppo dell’interfaccia grafica software
per l’acquisizione dei dati iniziali, che costituiscono i punti cardine del pro-
getto.
La tesi si articola in sei capitoli: nel primo si contestualizza il lavoro
svolto, descrivendo l’ambiente in cui si colloca e presentando brevemente gli
obiettivieleoperedell’aziendaThalesAleniaSpaceItalia, incuihocompiuto
l’attività di stage; nel secondo capitolo si propone un’esposizione delle carat-
teristiche principali del pianeta Marte da un’ottica di confronto con la Terra,
per permettere al lettore di calarsi nell’ambiente marziano e per giustificare
le successive estensioni dei metodi terrestri al Pianeta Rosso e le eventuali
approssimazioni nel modello proposto; il terzo capitolo è caratterizzato da
un’esposizione dal generale al particolare, che si apre con una panoramica dei
modelli numerici di previsione, seguita da una descrizione di questi ultimi con
un approccio scientifico dal carattere più matematico, e si conclude con la
trattazione di un particolare sistema numerico di previsione alla mesoscala,
su cui si basa il modello proposto, applicato sulla Terra ed esteso a Marte;
il quarto capitolo è dedicato all’analisi matematica dei metodi numerici di
soluzione, adottati dai sistemi introdotti nel capitolo precedente, e delle loro
proprietà di stabilità e convergenza; il quinto capitolo verte sull’analisi speri-
mentalediunmodellonumericodiprevisionemeteorologicaallamesoscala,di
cui vengono illustrate le equazioni di governo, i processi di parametrizzazione
e inizializzazione, i metodi di soluzione e i risultati ottenuti. In quest’ultimo
capitolo viene dato particolare rilievo alla componente numerico-informatica
del mio progetto, nella descrizione dell’interfaccia software da me sviluppata
per interrogare il Mars Climate Database, componente fondamentale del pro-
getto e di cui si fornisce una trattazione dettagliata, e dell’implementazione
della soluzione numerica del sistema. Il sesto e l’ultimo capitolo ripercorre
l’iter del progetto e ne trae le relative considerazioni, illustrandone anche i
possibili sviluppi futuri.
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Capitolo 1
Realtà virtuale, STEPS e Thales
Alenia Space
In questo capitolo viene descritto il contesto nel quale si inquadra la tesi.
Inizialmente viene introdotta la Realtà Virtuale, un insieme di tecniche che
permettonodisimulareoggettiesituazionicomplessiecheèanchel’ambiente
all’internodelqualeèstatasviluppataquestatesi. Successivamentesipasserà
adescrivereilprogettoall’internodelqualesicollocaillavoro, cioèilprogetto
S.T.E.P.S. e la capocommessa Thales Alenia Space, che è l’azienda presso la
quale ho svolto il mio stage. Si cercheranno anche di analizzare i motivi
che spingono una realtà come Thales Alenia Space ad investire nella Realtà
Virtuale e in progetti così innovativi.
1.1 La Realtà Virtuale
La Realtà Virtuale ha una storia interessante e complessa, con radici che ri-
salgono a più di 50 anni fa, tuttavia solo negli ultimi anni le tecnologie sono
maturate ed è stata rivalutata.
Per Realtà Virtuale, VR, si intende un insieme di tecniche che permettono
di simulare situazioni il più possibile realistiche. È ambiente immersivo, in
terattivo, multisensoriale e tridimensionale generato da computer combinato
a tecnologie adatte per la sua costruzione. Permette di simulare in un am-
biente sintetico situazioni il più possibile realistiche. Ci si riferisce al Virtual
Environment, VE, come ad un ambiente tridimensionale generato da com-
puter, che rappresenta oggetti e/o situazioni reali o astratte.
Analizzando più in dettaglio la definizione di VR, si colgono le seguenti
caratteristiche fondamentali:
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Immersione: rappresentailgradodirealismo, generatodallatecnologia,
percepito da un partecipante alla VR. Se un mondo è descritto come
immersivo, allora il partecipante si sente come se i propri sensi fossero
inseriti nel VE.
 Interazione: si riferisce alle possibilità e ai comandi utilizzati per otte-
nere cambiamenti di stato nel VE in un modo percettibile all’utente.
 Multisensorialità: descrive il coinvolgimento di più sensi nella perce-
zione delle caratteristiche del VE quali ruvidezza, peso, colore, suono,
odore, ecc.
 Tridimensionalità: è la descrizione e la percezione degli oggetti secondo
le tre dimensioni dello spazio.
La Realtà Virtuale, inoltre, si occupa delle tecnologie impiegate per costrui-
re il Virtual Environment con le suddette caratteristiche. Tali tecnologie si
riferiscono sia all’insieme dei componenti hardware, per esempio sistema di
visualizzazione e sistema audio, sia ai componenti software utilizzati. Nel
corso degli anni molte tecnologie si sono evolute ed altre sono state abban-
donate, sempre con lo scopo cardinale di fornire strumenti che riescano a
simulare in tutte le accezioni la realtà ‘reale’.
Architettura
Un sistema di VR è costituito da tre componenti principali:
 Elaboratore: il suo compito è quello di fornire nuove viste del mondo
virtuale in realtime in risposta agli input dell’utente. La macchina
per grafica digitale più famosa è la SGI Onyx, ma negli ultimi anni
schede grafiche e PC sempre più performanti sono diventati una valida
alternativa low-cost.
 Input/output devices: il loro compito è quello di trasmettere all’elabo-
ratore i movimenti dell’utente, tramite DataGlove, haptic device, mou-
se e tracking system, per poi ritrasmetterli all’utente tramite force feed-
back, tactile-feedback, audio-feedback e naturalmente visual-feedback.
Quest’ultimo è il componente più importante perché ha il compito di
presentarelascenadelmondovirtualeall’utente. Puòessereunsistema
HMD (Head Mounted Display), un sistema a proiezione o un monitor
standard e può utilizzare una visione stereoscopica o monoscopica.
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Software: ilsuocompitoèquellodicollegareesincronizzareiprecedenti
componenti. Contienealmenoilmotoregraficoedilgestoredeglieventi
e può contenere anche il motore fisico.
1.2 S.T.E.P.S.
S.T.E.P.S. è l’acronimo di ‘Sistemi e Tecnologie Per l’Esplorazione Spaziale’.
Come suggerito dal nome, si tratta di un progetto finalizzato allo sviluppo
di una serie di tecnologie innovative multidisciplinari utili alle missioni di
esplorazione dello Spazio, in particolare della Luna e di Marte.
Figura 1.1: Logo del progetto S.T.E.P.S.
È un’iniziativa della Regione Piemonte che coinvolge l’Università e il Po-
litecnico di Torino, diversi centri di ricerca e Piccole Medie Imprese, e so-
prattutto la capo-commessa Thales Alenia Space, azienda che, come detto,
è impegnata in questo campo da molti anni e vanta quindi di una notevole
esperienza. Il progetto ha avuto inizio nel gennaio 2009 e la durata prevista
è di tre anni.
STEPS è un progetto molto ampio, che sta avendo e che avrà ingenti impat-
ti finanziari e di conseguenza grandi possibilità di sviluppo tecnologico per
gli attori citati. Si pone nell’ottica di sviluppare, in un contesto di lavoro
distribuito e allo stesso tempo strettamente collaborativo, delle tecnologie
finalizzate all’esplorazione spaziale in termini di un sistema per operazioni
di atterraggio morbido, attraverso un lander, ma anche di avvicinamento ed
attracco automatico, facendo uso dei moduli Rendez-Vous & Docking, e infi-
ne di mobilità su superficie, utilizzando un rover, applicabile sia per missioni
robotiche sia per missioni con equipaggio.
La progettazione di tecnologie si divide in diverse aree di ricerca, ognuna
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delle quali è assegnata ad uno o più attori che collaborano nel perseguimento
degli scopi del gruppo di lavoro, a sua volta in costante confronto con tutti
gli altri.
Le aree di ricerca sono le seguenti:
 navigazione e guida
 visione e riconoscimento del terreno
 diagnostica preventiva
 aerotermodinamica
 energia e celle di combustibile
 sistema di discesa/ascesa e assorbitori d’impatto
 locomozione e meccanismi
 strutture innovative rigide e gonfiabili
 controllo ambientale e protezione dalle polveri
 realtà virtuale e interfacce uomo/macchina
 ottimizzazione multidisciplinare
 progettazione concorrente e collaborativi
 sistemi di trasporto commerciali
 sistemi di sistemi
Non si descriverà in modo dettagliato ogni singola area, ma il contesto
è importante per sottolineare l’area all’interno della quale si colloca questa
tesi.
Si vuole però anche far notare che nei tre anni di sviluppo del progetto, oltre
alle attività sulle singole tecnologie, si stanno progettando e mettendo a pun
to infrastrutture di simulazione e dimostratori virtuali, nonché dimostratori
fisici di un lander marziano e di un rover pressurizzato lunare come vetrina
delle tecnologie sviluppate.
Sono previste inoltre la realizzazione e l’utilizzo di un sistema di laboratori
attrezzati per le teleoperazioni, di ambienti per progettazione concorrente,
simulazione e realtà virtuale e di allestimenti che riproducono condizioni e
terreni tipici della superficie della Luna e di Marte. L’insieme di queste at-
tività e infrastrutture consentirà di accreditare la sede torinese di Thales
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Alenia Space quale Centro di Eccellenza per le attività di Prototipazione per
l’Esplorazione Spaziale.
In tal modo, si avrà anche il risultato di dotare il centro di adeguate infra-
strutture, tecnologie e competenze comuni in questo campo e in campi affini,
per esempio aeronautico, trasporti, energia, protezione civile e ambiente,
anche a supporto di futuri progetti.
Figura 1.2: Contenuti di S.T.E.P.S.
Contesto internazionale
Thales Alenia Space (TAS) è coinvolta in molti progetti di portata europea
e mondiale tra i quali il Programma AURORA, in pieno sviluppo con una
serie di studi di fattibilità, in cui rover e lander rivestono un ruolo primario,
con una prima missione già approvata: il programma EXOMARS la cui data
prevista per il lancio è il 2013, finalizzata allo sbarco su Marte di un rover
automatico. Gli scopi sono sia scientifici, sia indirizzati a preparare l’Europa
per contribuire al progetto NASA d’esplorazione umana. TAS Italia è prime-
contractor di questo programma, mentre ALTEC, altra azienda coinvolta in
STEPS, è responsabile di istituire il centro di controllo da terra del rover
che si muoverà su Marte. L’assunzione di ruoli di leadership da parte di
Thales Alenia Space Italia su questi programmi, così come l’assunzione di
responsabilità di ditte protagoniste in STEPS su attività e prodotti specifici,
passa necessariamente attraverso la capacità di gestire e sviluppare alcune
tecnologie innovative considerate abilitanti per queste missioni. Nell’ambito
di queste tecnologie sono stati identificati alcuni aspetti che, pur essendo
essenziali per l’Esplorazione Spaziale, non sono coperti dalle iniziative di
sviluppo attualmente in corso che coinvolgono TAS Italia ed i suoi partner.
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Il recupero diquesti gap tecnologici, in sinergiacon le altre iniziative in corso,
è proprio l’obiettivo fondamentale del progetto STEPS.
Figura 1.3: NASA Space Exploration preview
1.3 Thales Alenia Space Italia
Thales Alenia Space Italia è oggi la maggiore industria spaziale in Italia
ed una delle maggiori in Europa, con uno staff di 2800 persone altamente
qualificate suddivise in sette sedi in Italia.
Thales Alenia Space è una joint-venture tra Thales (67%) e Finmeccanica
(33%) e forma con Telespazio la ‘Space Alliance’. Si estende per un totale
di 10000 metri quadrati tra clean-room e laboratori di ricerca in ambito
di tecnologie avanzate, questi laboratori sono tra i più moderni e meglio
equipaggiati in Europa.
L’Azienda partecipa a tutti i programmi gestiti dall’Agenzia Spaziale
Italiana, ASI, e alla maggior parte di quelli dell’European Space Agency,
ESA.
Figura 1.4: Logo dell’azienda Thales Alenia Space Italia
Ha già contribuito alla costruzione di più di 200 satelliti e collabora con le
Agenzie Spaziali di altri Paesi tra cui la NASA. La compagnia ha una grande
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esperienza nel disegno, sviluppo, assemblaggio, integrazione, verifica e te-
sting di sistemi spaziali completi: satelliti per telecomunicazioni e navigazio-
ne, remote sensing, applicazioni scientifiche e meteorologiche, infrastrutture
spaziali, sistemi di lancio, trasporto e rientro e centri di controllo.
Thales Alenia Space, principale operatore del settore in Italia, progetta e
realizzasistemi, sottosistemiecomponentiperinfrastrutturespaziali, satelliti
scientifici, telecomunicazioniesistemiperl’osservazionedellaTerra. Mercato
di riferimento per la società sono le agenzie spaziali, il mercato governativo
nazionale, sia militare sia civile, e il mercato commerciale internazionale,
dove ha una presenza significativa nei sistemi satellitari di telecomunicazio-
ne geostazionari in cui opera in qualità di prime contractor. Thales Alenia
Space è inoltre attiva nei sottosistemi di payload, come ad esempio antenne,
transponder e sistemi a banda larga Ka.
Le attività di Thales Alenia Space sono organizzate in quattro aree tecnolo-
giche:
 Telecomunicazioni
 Remote sensing
 Infrastrutture orbitali per la Stazione Spaziale Internazionale (ISS)
 Satelliti scientifici
Le peculiarità che contraddistinguono i prodotti Thales Alenia Space sono:
 Alta tecnologia
 Grandi investimenti ed alta frammentazione organizzativa
 Bassissimo numero di modelli e di volo prodotti
 Parti quasi sempre progettate e costruite per la prima volta
 Ciclo di vita del progetto: da tre a dieci anni
 Multidisciplinarietà delle tematiche affrontate
 Stringenti requisiti di sicurezza e di affidabilità soprattutto per i pro-
dotti abilitati
 Alta interazione con il cliente, non viene richiesto solo il prodotto ma
anche di seguire e documentare un processo produttivo dettagliato
 Grande numero di modifiche da gestire
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Vita operativa variabile da pochi a dieci anni in ambiente ostile
 Difficoltà di effuettuare la manutenzione in fase operativa
L’alta frammentazione organizzativa è dovuta al coinvolgimento di molti
partner industriali nel progetto del prodotto e questo implica un’attenzione
particolare al processo, venduto insieme al prodotto, e alle relazioni indu-
striali.
1.3.1 Contesto Internazionale
Negli USA due rover automatizzati (Spirit e Opportunity) dal 2004 esplorano
il pianeta Marte, avendo percorso finora decine di Km. Recentemente sono
stati raggiunti anche da Phoenix con il suo braccio robotico. Oltre ai pro-
grammi di esplorazione robotizzata per Marte e Luna, l’obiettivo dichiarato
dalla NASA è di riportare gli astronauti prima sulla Luna entro il 2020 per
instaurarvi una base permanente e poi far scendere per la prima volta l’uomo
su Marte negli anni 2030-2040. In quest’ottica hanno dato il via al progetto
dellacapsulaabitataOrionedellanciatoreAREScomesuccessoridelloShut-
tle per portare gli astronauti su Stazione Internazionale, Luna e Marte. In
parallelo stanno anche sviluppando iniziative su Sistemi di Trasporto Com-
merciali (COTS) in cui anche TAS Italia è direttamente coinvolta. Anche
Russia, Giappone, Canada e Cina, per citare solo le nazioni più coinvolte,
hanno degli ambiziosi piani nazionali o di collaborazione internazionale che
puntano ad affiancare o competere con gli USA nell’esplorazione di Luna e
Marte.
In Europa il Programma AURORA è in pieno sviluppo con una serie di
studi di fattibilità (dove rover e lander rivestono un ruolo primario) con una
prima missione già approvata, il Programma EXOMARS (data prevista per
il lancio 2013), finalizzata allo sbarco su Marte di un rover automatico. Gli
scopi sono sia scientifici che indirizzati a preparare l’Europa per contribuire
al progetto NASA d’esplorazione umana. TAS Italia è prime contractor di
questo programma, mentre ALTEC (un’altra azienda coinvolta in STEPS) è
responsabile di istituire il centro di controllo da terra del rover che si muoverà
su Marte.
1.4 Ingegneria Aerospaziale
I prodotti realizzati da Thales Alenia Space operano in condizioni ambientali
molto particolari e per questo motivo devono essere progettati in modo da
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soddisfare una lunga serie di requisiti, di seguito ne vengono elencati alcuni
tra i più importanti:
 Sicurezza: molti prodotti, come per esempio i moduli abitativi, ven-
gono utilizzati direttamente da utenti umani, per questo motivo è im-
perativo che essi siano progettati con particolare attenzione in modo
da non mettere in pericolo la vita di nessuno.
 Difettosità zero: sebbene la difettosità zero sia impossibile da otte-
nere, tutti i prodotti per lo spazio, devono essere progettati in modo
ridondante così da portare ad un valore molto vicino a zero la probabi-
lità di guasti dovuti a difetti di fabbricazione. Bisogna infatti ricordare
che nello spazio anche il più semplice intervento di manutenzione può
avere costi molto elevati, per cui in fase di progetto è bene cercare di
minimizzare il più possibile la necessità di tali interventi.
 Abitabilità: tutti i moduli abitativi devono essere sottoposti ad una
lunga serie di test il cui scopo è quello di verificare se essi siano o meno
adatti ad ospitare essere umani per periodi più o meno lunghi.
 Utilizzabilità in 0G: in un ambiente in cui la gravità è pari o vicina
al valore zero, molte azioni elementari che tutti noi svolgiamo quoti-
dianamente risultano molto difficoltose o addirittura impossibili; anche
aprire una semplice maniglia può risultare molto complicato se questa
non è stata adeguatamente progettata per essere utilizzata a 0G.
Uno dei maggiori problemi che Thales Alenia Space ha incontrato nella pro-
gettazione dei suoi prodotti è l’impossibilità di riprodurre a terra l’ambiente
operativo in cui essi andranno ad operare; è molto difficile, se non impossibi-
le, riuscire a realizzare con successo anche il più semplice dei prodotti se non
si riesce a simulare in maniera precisa la gravità zero. Prima dell’avvento
della Realtà Virtuale si cercava di risolvere questo problema eseguendo tutti
i necessari test di progetto in ambienti il più possibile simili alla 0G come
l’ambiente sottomarino o il volo parabolico, come mostrato nella figura 1.5,
anche se ciò risultava poco pratico e più costoso.
Il problema e che queste tecniche possono simulare solo alcuni aspetti
della gravità zero, e possono essere molto dispendiose, in particolare il volo
parabolico ha dei costi notevoli per una durata di simulazione molto breve.
Con l’avvento della VR è stato possibile creare ambienti virtuali in 0G molto
complessi e realistici con costi relativamente contenuti. Per questo motivo
da molti anni Thales Alenia Space ha integrato la Realtà Virtuale nel pro-
prio processo ingegneristico traendone molti vantaggi sia dal punto di vista
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Figura 1.5: Ambienti per simulazioni a gravità zero.
economico che dal punto di vista progettuale.
1.5 Obiettivi di TAS all’interno di STEPS
Nell’ambito spaziale si prevede un mercato che nei prossimi vent’anni in ve-
stirà, solo in Europa, migliaia di euro nelle tecnologie associate alle missioni.
I potenziali prodotti per lo spazio si possono individuare sia a livello di tec-
nologie che in prodotti veri e propri. L’obiettivo di STEPS non consiste nel
voler fornire soluzioni progettuali relative ai singoli prodotti, ma nell’acqui-
sire competenza dimostrabile e spendibile in progetti futuri. In particolare,
le tecnologie studiate e sviluppate all’interno di STEPS si orientano verso
l’acquisizione di competenza scientifico-tecnologica legata questi prodotti:
 Rover per l’esplorazione della Luna e di Marte. Missioni come EXO
MARSprevedonogiàl’utilizzodirover, anchesedigenerazioneassocia-
bile ai rover NASA che sono già sul pianeta. AURORA, il programma
ESA che si occupa di coordinare e pianificare l’esplorazione, prevede il
lancio di rover di nuova concezione e più ampie capacità ed autonomia
verso la Luna a partire dal 2017, poi ,dopo qualche anno, di ripetere
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