Un F/A-18 e tanta matematica al servizio del futuro SLS

Chi almeno una volta, studiando matematica, ha mai pensato “Quando mai questa roba mi servirà nella vita?”. Probabilmente se la sono posta anche gli ingegneri che al Marshall Space Flight Center di Huntsville della NASA stanno usando proprio la matematica per far volare un F/A-18 facendogli credere di essere il futuro lanciatore SLS (Space Launch System).
A vederli si stenta a credere che, benché entrambi destinati al volo, un velivolo nato per ben altri scopi e un lanciatore pesante da 2900 ton al lancio abbiano alcunché in comune nelle dinamiche di controllo e di volo. Invece è proprio questo velivolo che è stato scelto per validare la logica di controllo e l’elettronica di base che guiderà il futuro SLS.
Eric Gilligan, Tannen VanZwieten, Jeb Orr e John Wall hanno speso anni per sviluppare e rifinire gli algoritmi del sistema di controllo del volo destinato all’SLS, il vero cervello del vettore, con il compito di indirizzare e controllare la traiettoria dopo il lancio e in tutte le fasi del volo.
“Il vettore ha una serie di equazioni che ne descrivono il moto” racconta Ebb, “è esclusivamente una questione matematica. E quando queste sono applicate al modello di un lanciatore ci permettono di prevederne le prestazioni”.
La NASA ha già sviluppato in passato molti sistemi di controllo per lanciatori ma per il nuovo vettore si è studiato un sistema automatico innovativo, capace di aumentarne le prestazioni e l’affidabilità.
“Stiamo espandendo le capacità di SLS un po’ oltre quello che faremmo con i sistemi di sviluppo tradizionali”, racconta sempre Ebb, “con una serie di algoritmi adattivi possiamo aumentare sensibilmente la responsività agli stimoli esterni, come ad esempio raffiche di vento improvvise, permettendo al lanciatore di rimanere in traiettoria”.
Questa è la prima applicazione della NASA di un sistema adattivo, il quale permette il ritorno ai parametri prestabiliti mentre è in volo e in maniera autonoma.

Il sistema, chiamato “Adaptive Augmenting Controller” impara e risponde alle discrepanze incontrate durante il volo fra i parametri previsti e quelli reali registrati durante il lancio.
La capacità di reagire a scenari inaspettati, non previsti prima del lancio, correggendo in tempo reale i parametri di volo, permette di aumentare sensibilmente l’affidabilità sia per la missione che per l’equipaggio.
“Avevamo bisogno di un sistema per testare questa logica di controllo, soprattutto per la parte innovativa, quella adattiva” aggiunge VanZwieten.
“Molte persone sbalordite potrebbero chiedere, avete un algoritmo per un lanciatore da testare e lo volete validare su un aereo?” continua VanZwieten “Non è immediatamente immaginabile come il velivolo possa rispecchiare la dinamica del lanciatore, ma lo fa. Voliamo il velivolo lungo una traiettoria molto simile a quella che seguirà il lanciatore, la dinamica di rotazione del velivolo è inoltre “rallentata” per rispecchiare quella di un lanciatore pesante come l’SLS”.
“Questo è un esempio di come la tecnologia che servirà un lanciatore può essere testata in volo senza la necessità di avere un lanciatore.” racconta John Carter, Project Manager, “e farlo con un F/A-18 permette di abbattere in costi, avere una pianificazione a corto periodo e poter ripetere molte volte i test in modo da guadagnare la confidenza necessaria alla validazione dei risultati. L’F/A-18 ha la giusta combinazione di robustezza e performance necessarie a questo scopo. L’aereo inoltre può volare per molto più tempo di un razzo sonda e può ripetere molte volte consecutivamente lo stesso esperimento in condizioni molto ravvicinate e simili, e se qualche cosa dovesse andare storto il pilota può spegnere l’esperimento e tornare in sicurezza alla base”.
“Il software che ora sta volando su un F/A-18 non sa che in futuro volerà su un SLS!”, conclude Orr scherzando.
La campagna appena conclusa, chiamata Launch Vehicle Adaptive Control (LVAC), prevedeva 5 voli con almeno una dozzina di simulazioni durante ciascuno.
Con voli dalla durata di 60-90 min le simulazioni duravano circa 70sec ciascuna e sono stati studiati circa 20 scenari differenti, ciascuno con anomalie differenti che dovranno essere superate per validare il sistema, come ad esempio raffiche di vento, spinte superiori al previsto o sciabordii del propellente.
I test simulavano il vettore in configurazione da 70ton in LEO e con la capsula Orion non abitata destinata a un obiettivo oltre la LEO (Low Earth Orbit).
La campagna è servita per scoprire se qualche cosa dovrà essere corretto prima del volo previsto nel 2017, volo che vedrà il battesimo del nuovo software insieme all’intero lanciatore.

Fonte: NASA