Il volo spaziale con un equipaggio a bordo richiede un addestramento raffinato. Gli astronauti devono familiarizzare con operazioni difficili e condizioni innaturali e, soprattutto, spiega l’astronatuta Umberto Guidoni in questo articolo pubblicato da Galileo nel 1997, le fasi più critiche della missione vengono mimate in ogni minimo dettaglio durante simulazioni a Terra.
Ogni volo spaziale con un equipaggio a bordo è una attività complessa che comporta la familiarità con operazioni difficili e molto diverse fra loro.
Per portare un equipaggio al livello di preparazione richiesto per una missione dello Space Shuttle è necessario un lungo addestramento, che normalmente dura dai 12 ai 18 mesi. Va notato che si tratta di individui già qualificati come astronauti, e dunque il tempo della preparazione è destinato soprattutto a far sì che essi raggiungano un livello di affiatamento adeguato ai compiti della missione in cui saranno impegnati. Gli aspetti essenziali di questo addestramento sono stati messi a punto a partire dai primi voli orbitali, con le missioni “Mercury” e “Gemini”, e si sono raffinati nel corso del programma “Apollo” che, con l’atterraggio sulla Luna, ha rappresentato il momento culminante dell’impegno americano nello spazio. Con l’avvento dello Space Shuttle e con i nuovi orizzonti aperti dalla ricerca scientifica, l’addestramento degli astronauti si è ulteriormente perfezionato.
Accanto alle attività standard, che riguardano le operazioni comuni ad ogni volo dello Shuttle, si è andato sempre più espandendo il training relativo ai programmi scientifici di ogni missione. La preparazione per le operazioni in orbita sul Payload (il carico di strumentazioni sempre più sofisticate destinate alle ricerche nello spazio) è diventata una parte determinante delle attività di un equipaggio, ed ha richiesto una trasformazione anche nei criteri di selezione degli astronauti.
Originariamente esclusivamente militari, in maggioranza piloti di jet, gli astronauti dello Shuttle sono oggi selezionati anche in base al loro bagaglio scientifico. Più della metà di quelli attualmente in servizio presso la NASA provengono dai settori più avanzati della ricerca medica, della scienza dei materiali, dell’ingegneria e della fisica.
Lo Space Shuttle
Lo Space Shuttle è una macchina unica nel suo genere. Racchiude in sé le funzioni di tre veicoli diversi: è un razzo al momento del decollo, una stazione orbitante quando viaggia nello spazio, e un aeroplano, anzi un grande aliante, al momento dell’atterraggio.
E’ importante tenere presenti queste differenze per capire le ragioni di un addestramento lungo e dalle molte sfaccettature. Ovviamente ciascun membro dell’equipaggio ha una sua funzione specifica, che diventa più o meno determinante a secondo delle varie fasi del volo.
Il training deve allenare gli astronauti a far fronte a tutte le eventualità, ma soprattutto ai casi di emergenza, per garantire la sicurezza dell’equipaggio e il successo della missione.
Un training per tutte le emergenze
Non occorre sottolineare i rischi connessi con le missioni spaziali. L’incidente del Challenger, avvenuto 10 anni fa, riportò violentemente in primo piano il tema della sicurezza dell’equipaggio in una delle fasi più delicate del volo: il momento del lancio.
Da allora molte cose sono cambiate. Oggigiorno, ad esempio, è previsto un addestramento specifico per consentire agli astronauti di abbandonare la navetta in condizioni di grave pericolo. Ci si addestra ad usare le LES – le tute pressurizzate arancioni introdotte dopo la tragedia del Challanger – che servono a proteggere gli astronauti da una perdita di pressione della cabina. Ma ci si esercita anche a rispondere a situazioni più estreme, come quella di abbandonare lo Shuttle, che presumibilmente sta viaggiando a velocità supersonica, cercando di evitare le ali e il timone di coda e, naturalmente, all’uso del paracadute e alle tecniche di sopravvivenza in acqua e sulla terraferma.
Un addestramento analogo viene effettuato per prepararsi alle conseguenze di un atterraggio di emergenza, che comporti una evacuazione rapida del velivolo, in seguito ad un incendio od alla fuoriuscita di gas tossici. In questa eventualità, si deve abbandonare lo Shuttle utilizzando una delle finestre superiori della cabina di pilotaggio, che può anche dover essere aperta in gran fretta facendo brillare una piccola carica esplosiva. Per questo tipo di “training” si usano dei simulatori della navetta a grandezza naturale, da cui ci si cala, sempre indossando le pesanti tute arancioni, utilizzando lunghe funi con tecniche simili a quelle dei commando militari.
Dal “lift off” all’atterraggio
Oltre alle situazione più pericolose, che sono auspicabilmente le più improbabili, vengono simulate in terraferma tutte le fasi di routine: il lancio, le attività in orbita, il rientro nell’atmosfera e l’atterraggio, spesso utilizzando strutture complementari fra loro.
Per il lancio e l’atterraggio si usa un vero e proprio simulatore di volo che viene chiamato Base Mobile – o MB – perché è montato su un sistema idraulico che fa cambiare la posizione alla cabina in relazione alla traiettoria di volo. Al momento del lancio la navetta si trova in posizione verticale, per poi raggiungere il normale assetto di volo, poco prima dell’arrivo in orbita.
Nel simulatore si ripercorrono innumerevoli volte quegli otto minuti e mezzo. Si entra nella cabina quando si trova ancora in posizione orizzontale; ci si assicura alle cinture del sedile e si da l’OK alla rotazione di 90 °. Ci si trova così a essere “seduti” sulla schiena, con il quadro dei comandi come soffitto e la porta da cui siamo entrati che, difatto, è diventata il pavimento.
Da questo momento inizia la simulazione vera e propria: gli strumenti di bordo prendono a funzionare, l’orologio comincia a segnare il tempo mancante al lancio e dagli schermi, che d’improvviso si illuminano, si vede la torre di lancio. Si tratta ovviamente di immagini simulate, trasmesse da un network di computer che controllano anche la posizione della cabina. Al “lift off” si sente il rumore dei motori, la cabina è scossa da vibrazione, e le immagini dai finestrini creano l’illusione del movimento verso l’alto.
La sincronia tra le immagini ed i cambiamenti di assetto generati dal sistema idraulico è eccellente e, per un attimo, si ha la senzazione di muoversi veramente. C’è qualcosa di strano, però: non si sente la pesantezza sul petto generata dalla possente accelerazione al momento del distacco da terra.
Ma lo scopo della simulazione non è di mimare la realtà al 100%. Serve piuttosto ad abituare l’equipaggio alle complesse operazioni di lancio, dove è necessario verificare costantemente la risposta degli strumenti e dei computer di bordo con le condizione previste. Questo vale soprattutto per le fasi più critiche del volo, come il distacco dei “boosters”, la separazione dal serbatoio principale e lo spegnimento finale dei motori.
Anche il rientro nell’atmosfera e l’atterraggio sono momenti delicati. Soprattutto in quest’ultima fase è estremamente importante poter mettere in relazione le informazioni che vengono dai calcolatori, che controllano la navigazione, con i riferimenti visivi che il pilota usa per l’approccio finale.
Durante un atterraggio simulato i computer di bordo dello Shuttle proiettano un’immagine digitale della pista di atterraggio su uno speciale schermo trasparente, montato sui finestrini anteriori. Questa immagine elettronica deve sovrapporsi alla posizione reale della pista così come la si vede ad occhio nudo. Tutto questo viene simulato alla perfezione nella MB sia dal punto di vista visivo che da quello delle sollecitazioni dinamiche che si hanno quando si effettuano delle correzioni di rotta.
Per le operazioni in orbita non c’è bisogno di un simulatore dinamico che orienti la cabina in relazione ai comandi del pilota. Infatti, una volta in orbita, tutto avviene molto dolcemente: vengono usati piccoli razzi di controllo d’assetto che provocano vibrazioni appena percettibili. Si utilizza, perciò, un simulatore fisso, e l’effetto del cambiamento di posizione in orbita viene realizzato controllando le immagini degli schermi che sono collocati dove dovrebbero essere i finestrini della cabina.
L’effetto è complessivamente buono: la vista delle stelle che si muovono e della Terra, che scorre sotto di noi, danno la sensazione del movimento, come se lo Shuttle stesse percorrendo la sua orbita. D’altra parte l’aver rinunciato alla Base Mobile permette una ricostruzione della cabina di pilotaggio e del ponte inferiore – o middeck – di grande fedeltà. In questo simulatore – detto anche FB o Base Fissa – si possono simulare tutte le operazioni in orbita, anche quelle più spettacolari, come l’attracco con la stazione russa Mir.
La FB permette di ripercorrere passo dopo passo tutte le procedure previste per ogni particolare missione; incluse quelle relative al carico trasportato nella stiva. Ad esempio, si può effettuare la messa in orbita di un satellite per telecomunicazione, oppure si possono simulare le operazioni di rilascio nello spazio del “satellite tethered”, il satellite italiano collegato con un cavo di venti chilometri che è stato l’obiettivo scientifico principale della missione STS-75, cui ho partecipato personalmente.
Tutte queste operazioni condotte a terra ripropongono in modo estremamente fedele quello che accadrà nello spazio. Ricordo di quando sono entrato, per la prima volta, nella cabina della navetta “Columbia”, quattro settimane prima della missione. Era l’ultima simulazione delle operazioni di lancio, questa volta all’interno della navetta originale.
Ero ovviamente curioso di salire sul vero Shuttle, in configurazione di lancio, pronto sulla rampa del Kennedy Space Center, e devo ammettere di aver provato una certa delusione nel trovare tutto estremamente familiare. Se non fosse stato per la visuale che si godeva dai finestrini e per il fatto che i pannelli erano stati verniciati di fresco, avrei giurato di essere nel bel mezzo dell’ennesima simulazione a Houston.
Simulazioni integrate in tempo reale
La MB e la FB hanno un ruolo molto importante nel training. Non solo rappresentano una copia estremamente fedele della navetta spaziale, e quindi un luogo dove l’equipaggio può effettuare tutte le operazioni come se fosse nella cabina dello Shuttle, ma permettono anche le comunicazioni con il Centro di Controllo di Houston, come in una reale missione.
Questo è, forse, un aspetto poco noto: in numerose simulazioni, oltre all’equipaggio, è coinvolto tutto il personale che normalmente segue una missione da terra. Queste simulazioni integrate possono durare dalle 12 alle 36 ore e ripercorrono – in tempo reale – le fasi principali della missione. Tutto si svolge secondo il piano di volo e, per rendere la cosa più realistica, si indossano anche le tute arancioni.
La vera differenza rispetto alla missone vera e propria sta nel numero di anomalie che si presentano. Un folto numero di tecnici, seduti davanti ai loro computer, sono in grado di simulare avarie a quasi tutti sistemi di bordo. Il sistema è molto sofisticato e permette di introdurre vari livelli di malfunzionamenti che interagiscono tra loro, creando problemi difficili da diagnosticare.
Quello che più conta è che questo gruppo di “istruttori” lavora indipendentemente dall’equipaggio e dal personale del Centro di Controllo che, ovviamente, non sono a conoscenza delle loro mosse. La risposta concertata della “crew” e del “team” a terra è proprio ciò che si vuole mettere alla prova, e la simulazione risulta estremamente realistica, anche se il ritmo delle attività in una simulazione è almeno 10 volte più intenso di quello di una vera missione spaziale.
Il Johnson Space Center – il centro di addestramento degli astronauti americani ed internazionali che si trova a Houston, nel Texas – ospita, oltre ai due simulatori di missione, altri simulatori completi, con caratteristiche lievemente diverse fra loro, ed un certo numero di simulatori parziali. Questi ultimi, che riproducono, per esempio, soltanto la parte posteriore della cabina di pilotaggio o l’interfaccia con i computer di bordo, sono utilizzati per addestramenti specifici che possono interessare uno o più membri dell’equipaggio ma non necessariamente l’intera “crew”.
C’è infatti una distinzione fra le funzioni di pilotaggio del “Commander” e del “Pilot” e i compiti del “Mission Specialist”, una figura vicina a quella dell’ingegnere di bordo su un aereo di linea.
Quest’ultimo svolge le funzioni di controllo quando lo Shuttle è in orbita e le attività di bordo sono soprattutto legate agli esperimenti scientifici. Fra queste attività c’è il controllo del Remote Manipulator System, o RMS.
Si tratta di un braccio robotico, sviluppato dai canadesi, che, come una gru in miniatura, viene utilizzato per spostare carichi ingombranti nella stiva dello Shuttle. L’RMS può manovrare satelliti da mettere in orbita ovvero effettuare una ripararazione durante il volo. La cattura e la manutenzione del telescopio spaziale Hubble, eseguite recentemente dall’equipaggio della navetta “Discovery” nel corso della missione STS-82, è stata una delle dimostrazioni più spettacolari delle possibilità di questo braccio meccanico.
Uno dei simulatori specializzati per le operazioni RMS è costituito da un braccio meccanico montato all’interno di una modello in legno, a grandezza naturale, della stiva dello Shuttle. Si tratta di un sistema idraulico, sostanzialmente diverso da quello usato nello spazio che utilizza, invece, motori elettrici per muovere le sei giunture di cui è dotato.
La ragione di questa differenza sta nel fatto che il sistema RMS, progettato e costruito per operare nello spazio in condizioni di microgravità, sulla Terra non può sopportare il proprio peso. Per esercitarsi alle operazioni di aggancio e rilascio si utilizzano palloni che hanno la forma delle strutture che si devono maneggiare in orbita: nello spazio conta l’ingombro non il peso!
Un altro simulatore è, invece, completamente digitale. Sia il braccio che la “cargo bay” dello Shuttle vengono generati da vari calcolatori che proiettano l’immagine su una cupola, per creare un effetto tridimensionale. La simulazione delle operazioni RMS ed il comportamento del carico, all’estremita del braccio, è molto fedele anche se l’effetto di profondità non è realistico come nel caso del simulatore meccanico.
Abituarsi a galleggiare in aria
Ma le molteplici utilizzazioni del “Remote Manipulator System” hanno richiesto un terzo simulatore, del tutto diverso: un braccio meccanico immerso nell’acqua. Questa soluzione, a dir poco insolita, si è resa necessaria per poter usufruire dello strumento in appoggio all’attività extraveicolare degli astronauti.
A questo scopo viene utilizzata una enorme piscina, probabilmente una delle più grandi esistenti al mondo, in cui è affondato un modello in metallo, in scala uno a uno, della “cargo bay” dello Shuttle.
Quando gli astronauti devono addestrarsi per la loro passeggiata spaziale, lo fanno in questa piscina, in condizioni di “neutral buoyancy”; in un delicato equilibrio fra spinta idrostatica e forza peso che viene ottenuta mettendo dei pesi alle tute pressurizzate, usate per uscire nello spazio aperto.
Generalmente, nelle passeggiate spaziali – in gergo tecnico “Extra Vehicular Activity” o EVA – i due membri dell’equipaggio per muoversi agevolmente nella stiva dello Shuttle usano uno speciale piedistallo, montato alla sommità del braccio meccanico. L’attività sott’acqua è quanto di più simile si possa trovare sulla Terra per simulare le condizioni che si incontrano in orbita, quando si lavora nello spazio aperto in condizioni di assenza di peso.
Muovendosi nell’acqua, però, si lavora contro la viscosità del liquido e questo è ancora più vero quando si cerca di muovere carichi ingombranti. Per ovviare a questo inconveniente, è stato ideato un altro genere di simulatore che, utilizzando le tecnologie più avanzate della Realtà Virtuale, può ricreare la sensazione di movimento “senza sforzo” che si prova in orbita.
Una ricostruzione tridimensionale della stiva con il braccio RMS, generata da una rete di “workstations”, viene proiettata su un apposito visore, poco più grande di un comune paio di occhiali. In questo “spazio virtuale” si ha la possibilità di mettere alla prova la coordinazione fra l’operatore del braccio meccanico e l’astronauta aggrappato alla sua sommità che, via radio, fornisce la direzione verso la quale si vuole spostare.
Infine c’è l’aspetto propriamente fisico: le sensazioni che si provano in assenza di peso. Non c’è modo di simulare queste percezioni con una struttura a terra, ma lo si può fare in caduta libera, utilizzando un aereo che effettua una traiettoria molto particolare.
Si tratta dei cosidetti “voli parabolici” a bordo di un vecchio Boeing 707 della NASA. In una normale sessione si effettuano 30-40 parabole, e solo per un breve periodo di 20-30 secondi, alla sommità di ciascuna parabola, si è in condizioni di assenza di peso e si galleggia proprio come quando si è in orbita.
Il prezzo da pagare è una brusca accelerazione quando l’aereo, al termine della sua picchiata, deve riprendere quota per la manovra successiva. Nella parte più bassa della traiettoria si raggiungono 2 g – cioè due volte il proprio peso – e ci si sente schiacciare contro il pavimento. Un’accelerazione non particolarmente elevata, se la si confronta con i 3 g del lancio o con i 5-6 g che si raggiungono a bordo dei T38 – gli aerei supersonici che vengono utilizzati per l’addestramento al volo spaziale – quando si effettuano delle manovre acrobatiche. Ma l’alternanza fra l’assenza di peso ed un peso doppio del normale non è una delle esperienze più piacevoli.
Un mestiere strano quello dell’astronauta. Si passa gran parte del tempo a simulare situazioni che non hanno alcun riferimento con la vita di tutti i giorni, e che anzi spesso cozzano con il più elementare buon senso. Ma c’è una magnifica ricompensa!
Quando finalmente ci si trova nelle condizioni che si è cercato di simulare utilizzando tecnologie estremamente sofisticate, la realtà supera di gran lunga le aspettative. Lo spettacolo che si gode dai finestrini dello Space Shuttle fa impallidire le immagini computerizzate. Due settimane passate nello spazio ripagano ampiamente dei lunghi mesi trascorsi in addestramento.
