atv: quando l'europa faceva sul serio

L’ATV - Automated Transfer Vehicle, è stato un progetto dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) destinato al rifornimento automatizzato (come suggerisce il nome) della ISS.

L’appalto, affidato alla EADS Astrium Space ha visto la partecipazione di numerosi subappaltatori tra cui l’Italiana Thales Alenia che ha realizzato in sinergia con la Russa RKK Energia, tutto il sistema di attracco e rifornimento derivato da quello delle Progress.

Questo gigante dello spazio, capace di trasportare sulla stazione spaziale internazionale, 7.667 Kg di materiale, unica tra i cargo in servizio, oltre alla Progress, è stata in grado di rifornire i serbatoi di carburante della ISS, oltre a poter svolgere funzioni di motore di apogeo per modificare l’altitudine della stazione.

Ne vennero realizzati cinque esemplari che, trasportati dal lanciatore europeo Ariane-5 ES, hanno compiuto altrettante missioni con successo.

Ognuna delle cinque ATV lanciate è stata intitolata ad un personaggio di spicco della storia della scienza come Kepler, Amaldi, Einstein e Lemaitre mentre la prima ATV venne dedicata al visionario scrittore francese Jules Verne.

E’bello pensare che, come le navette dell’Enterprise di Star Trek, le ATV abbiano voluto omaggiare personaggi che hanno aperto la via delle stelle

Com’era fatto

L’ATV aveva due sezioni cargo, una Pressurizzata, detta anche Dry Cargo, nella quale gli astronauti potevano accedere senza l’uso delle tute e che poteva essere lasciata con il portellone aperto per tutta la durata della permanenza sulla ISS, l'altra, non pressurizzata, chiamata Fluid Cargo dove erano presenti i serbatoi.

Vi era poi un modulo di servizio, posizionato in code, con i propulsori, l’avionica, i pannelli solari, i computer di volo e la strumentazione di navigazione.

La sezione Dry Cargo, di produzione Italiana, era basato sul MPLM - Multi Purpose Logistic Module in uso sullo Space shuttle.

Nella sezione non pressurizzata il Fluid Cargo poteva trasportare, in 22 serbatoi sferici, Acqua potabile, Ossigeno, Azoto ed i propellenti sia per i motori della ISS, sia per i propri motori d’apogeo e manovra.

A partire dall’ATV-002 Johannes Kepler, venne introdotta la possibilità di completare il carico della navicella con uno speciale portello chiamato LCAM - Late Cargo Access Mens fino a qualche settimana dal lancio quando l’ATV era stato già montato in cima al suo lanciatore Ariane-5 ES.

L’ATV poteva trasportare fino a 7.667 kg di carico utile: questa caratteristica lo rende ancor’oggi imbattuto nella categoria di navi spaziali da trasporto precedendo la Tianzhou cinese (6.500 Kg) e l’HTV giapponese (6.000 Kg), anche lui non più in servizio.

Il carico poteva essere distribuito in vari modi fino ad un massimo di:

840 kg di acqua potabile

100 kg di gas

860 kg di propellente per il rifornimento della stazione spaziale

4700 kg di propellente utilizzato dalla navetta per raggiungere la stazione spaziale, eseguire le manovre orbitali e rientrare

5500 kg di dry cargo (cibo, equipaggiamento, esperimenti scientifici, ecc.)

Potevano essere trasportati due tipi di gas in tre serbatoi sei quali due erano interconnessi.

Anche l’acqua poteva essere trasportata in due tipi per adattarsi alle diverse specifiche tra la sezione Russa ed Americana:

Basso residuo fisso e disinfettata con iodio per la NASA, Mineralizzata e disinfettata con argento per Roscosmos

Anche il propellente trasportato era di due tipi:

UDMH e Tetrossido d’Azoto per la ISS e MonometilIdrazina (MMH) ed ossidi di azoto misti per i propri motori.

Il sistema di attracco e rifornimento

L’ATV utilizzava il sistema di attracco russo SSPV nella configurazione identica a quello delle Progress.

Il sistema permetteva il docking dell'ATV al modulo Zvezda tramite il portellone. Tale meccanismo collegava anche i sistemi elettrici e le connessioni per il trasferimento del propellente. Una volta agganciata alla stazione, l'equipaggio poteva entrare attraverso il portello del modulo Zvezda all'interno del vano pressurizzato per accedere al carico.

La parte anteriore conteneva, oltre al sistema di docking russo, i sistemi avionici e i sistemi per il controllo della propulsione. Il docking era automatizzato e utilizzava un videometro e un telegoniometro, due sensori stellari e i propulsori per il controllo di assetto. In aggiunta era presente un'antenna ridondante di costruzione russa che forniva ulteriori dati, del sistema Kurs. Le immagini video erano fornite da una telecamera posta sul modulo Zvezda.

Il sistema principale utilizzava una metodologia collaborativa cioè ATV ed ISS scambiavano continuamente i dati della posizione relativa tramite GPS. Nell’ultimo tratto di avvicinamento si faceva uso dei riflettori laser posizionati sull’ATV e sulla zona di attracco del modulo Zvezda.

Nell’ultima missione è stato testato un sistema non collaborativo chiamato LIRIS. L’ATV era in grado di effettuare la manovra (CAM - Collision Avoidance Manoeuvre) di aborto dell’attracco in maniera automatica ma poteva essere pilotato anche dalla ISS che poteva inviare dei comandi per allontanare la nave a distanza di sicurezza (Escape), arrestare  l’avvicinamento (HOLD) e riportare la nave in una posizione precedente (Retreat). 

La particolarità del sistema SSPV, che rende l’ATV l’unica navicella cargo non russa in grado di rifornire la ISS sta appunto nelle linee di connessione idrauliche integrate nel sistema di attracco che consentono il passaggio del carburante e lo spurgo dei gas in eccesso.

Durante ll periodo in cui l’ATV restava collegata alla stazione, le canalizzazioni del carburante e dei serbatoi dei gas e dell’acqua venivano attivate automaticamente per il deflusso del carburante necessario ai serbatoi dei motori della ISS (UDMH e Tetrossido d’Azoto), mentre acqua potabile (nelle due versioni) e gas venivano collegati manualmente.

Integrato al sistema di rifornimento vi era anche quello di spurgo dei gas in eccesso posizionato sotto il portello del modulo Zvezda.

Una missione tipo

Una tipica missione dell'ATV iniziava con l'immissione in un'orbita ad un'altezza di 260 km grazie al lanciatore Ariane 5 ES, con decollo dalla base di lancio equatoriale dell'ESA di Kourou nella Guyana francese.

Dopo la separazione dal primo stadio, sopra l'oceano Atlantico, il propulsore Aestus del secondo stadio si accendeva per la prima volta per una durata di 8 minuti, raggiungendo un'orbita ellittica di 136×260 km. Dopo il suo spegnimento proseguiva la sua traiettoria per 45 minuti, e si accendeva per una seconda volta per 30 secondi, mentre si trovava sopra l'Australia sudorientale. Questa manovra modifica l'orbita rendendola circolare ad una altezza di 260 km. Questa era l'orbita iniziale in cui veniva inserita la navetta ATV. Dopo il distacco dell'ATV, il secondo stadio percorreva un'orbita e il propulsore Aestus veniva acceso per un'ultima volta per deorbitare il secondo stadio e farlo rientrare nell'atmosfera dove si sarebbe distrutto sopra all'oceano Pacifico del sud. L'ATV attivava il sistema di telemetria, che inviava i dati della navetta al centro di controllo, dove gli operatori effettuavano una verifica del suo stato.

Qualche ora dopo la separazione, l'ATV entrava nella cosiddetta "fase phasing". In questo periodo erano compiute diverse manovre orbitali per portare la navetta ad una distanza di 39 km dalla stazione spaziale e 5 km sotto di essa. Da questo punto si attivava la navigazione GPS relativa.

Giunta ad una distanza di 249 m, veniva attivato il videometro, i cui dati erano utilizzati dal computer di volo per l'avvicinamento finale, ad una velocità di 7 cm/s. Il videometro inviava degli impulsi laser riflessi da elementi situati nei pressi del portellone di attracco del modulo Zvezda. L'analisi dell'immagine formata dai riflessi determinava l'orientamento e la posizione della stazione.

Questa fase era totalmente automatica ma se nelle fasi finali di rendezvous e docking fossero sorti problemi, erano previste diverse soluzioni, a seconda della gravità.

Per un tempo di 6 mesi al massimo, l'ATV poteva rimanere connesso alla ISS in modalità di riposo, con la porta di collegamento perennemente aperta. Nel frattempo i serbatoi con i fluidi potevano essere collegati a quelli della stazione automaticamente (per il propellente) o manualmente (per l'acqua potabile e i gas). L'equipaggio, man mano che il carico veniva trasferito, iniziava a riempire l’ATV con i rifiuti da smaltire.

Durante la permanenza in orbita l’ATV poteva eseguire manovre di Reboost per modificare l’altitudine dell’orbita della ISS oppure la cosiddetta DAM (Debris Avoidance Manoeuvre).

Alla fine della missione veniva effettuato lo sgancio e l’ATV automaticamente si immetteva nella traiettoria di rientro per distruggersi nell’Oceano Pacifico. La fase di rientro veniva monitorata anche da un dispositivo, chiamato Reentry Breakup Recorder (REBR)l dispositivo, protetto da un proprio scudo termico in modo da resistere al rientro atmosferico, funzionava come una scatola nera ed è stato impiegato anche nelle missioni dell'H-II Transfer Vehicle.

Le missioni ATV

ATV-001

La navicella cargo è partita il 9 marzo 2008 alle ore 04:03 UTC, diretta verso la Stazione spaziale internazionale (ISS) con propellente, acqua, aria e con altri rifornimenti. Dopo essere rimasta agganciata per sei mesi alla ISS tramite il modulo russo Zvezda, la navicella ha effettuato l'undocking il 5 settembre e, come programmato, si è disintegrata in atmosfera sopra l'Oceano Pacifico il 29 settembre.

Il primo ATV è stato chiamato "Jules Verne", in onore del famoso scrittore francese del XIX secolo.

Per commemorare le opere dello scrittore sono stati inclusi nel carico della navetta due manoscritti originali. In uno di essi, datato tra il 1890 e il 1899, sono elencate alcune distanze astronomiche e il tempo impiegato per coprirle a piedi, in treno e alla velocità della luce. Sul secondo documento è disegnata una mappa celeste che illustra le costellazioni dell'Aquila, di Orione, di Pegaso e della Vergine.
ATV-002

Con la sua massa al lancio superiore alle 20 tonnellate è la missione con carico utile più pesante lanciata finora dall'ESA.

Il lancio è avvenuto con successo il 16 febbraio 2011 con 24 ore di ritardo rispetto al primo tentativo di lancio, programmato per il 15 febbraio 2011 e rinviato a causa di un'anomalia tecnica inerente al serbatoio dell'ossigeno liquido del razzo vettore.

Il docking con la stazione Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è avvenuto correttamente e senza intoppi il 24 febbraio 2011 alle 17:08 CET.

Dopo oltre quattro mesi agganciato alla Stazione Spaziale Internazionale ed avendo nel frattempo supportato varie attività tra cui in particolare diversi reboost, cioè l'aumento di altitudine dell'orbita grazie all'utilizzo dei motori, l'ATV-002 ha effettuato l'undocking dalla stazione spaziale il 20 giugno 2011 per finire distrutto il giorno successivo durante il rientro nell'atmosfera sopra l'Oceano Pacifico, così come preventivato.

Il nome dell'ATV-2 è stato svelato al pubblico durante una cerimonia che si è svolta a Brema il 7 luglio 2009. Keplero era un astronomo ed un matematico tedesco famoso per la scoperta delle leggi del moto planetario. Il 2009 è stato l'anno internazionale dell'astronomia e il 400º anniversario della pubblicazione di "Astronomia Nova", una delle sue opere più importanti.

ATV-003

Si trattava del terzo elemento del gruppo di 5 ATV ordinati dall'ESA per il rifornimento della Stazione spaziale internazionale. Oltre al rifornimento dell'equipaggio della Expedition 30, l'Edoardo Amaldi ha utilizzato il suo motore per alzare l'orbita della stazione spaziale. La fase di integrazione di tutti i componenti è terminata nell'agosto 2011. Il lancio è avvenuto il 23 marzo 2012. Cinque giorni dopo il lancio, il veicolo spaziale ha effettuato il docking con successo alla Stazione Spaziale Internazionale, dove è rimasto fino al 28 settembre 2012, quando è iniziato il suo rientro distruttivo nell'atmosfera terrestre concluso il 3 ottobre 2012 alle 01:30.

Il terzo ATV è stato chiamato Edoardo Amaldi, in onore del fisico e pioniere italiano. Figura di spicco della fisica delle particelle, negli anni '30 del XX secolo ha fatto parte del gruppo di scienziati, guidati da Enrico Fermi ("I ragazzi di via Panisperna")

Il lancio della navetta, a marzo 2012, è avvenuto in prossimità del 100º anniversario della nascita di Wernher von Braun. Nel carico della navetta erano presenti le scansioni di un quaderno di appunti di von Braun e una lettera scritta da Amaldi nel 1958. Quest'ultimo documento, il cui originale ha un significato storico, riflette la visione di Amaldi per un'agenzia spaziale europea pacifista e non-militarizzata - un principio fondamentale della filosofia dell'attuale ESA.

ATV-004

L'Albert Einstein è il penultimo ATV ad essere costruito; Il lancio è stato effettuato dallo spazioporto dell'ESA, a Kourou alle 21:52:11 UTC  del 5 giugno 2013, utilizzando il vettore Ariane 5. L'ATV-004 ha effettuato il docking alla ISS alle 14:07 UTC  del 15 giugno 2013. Si è sganciato dalla ISS il 28 ottobre ed il suo disintegrarsi nell'atmosfera è stato ripreso dalla Stazione Spaziale.

Il quarto ATV è stato battezzato in onore del celeberrimo fisico del XX secolo, su proposta della delegazione svizzera all'ESA. Einstein è infatti nato in Germania ma ha trascorso in Svizzera i suoi primi anni di carriera. Tra i vari rifornimenti, la navetta ha portato sulla stazione una copia della prima pagina manoscritta del famoso articolo "Die Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie" ("I fondamenti della teoria della relatività generale"), scritto da Einstein nel 1916.

ATV-005

E’ stata l'ultima missione del programma ATV e si è conclusa, come da programma, il 15 febbraio 2015 con il suo rientro distruttivo in atmosfera. Il veicolo spaziale ha portato rifornimenti alla Stazione spaziale internazionale il 12 agosto 2014. A gennaio 2015 ha eseguito una manovra di abbassamento di quota dell'orbita della stazione per facilitare le missioni cargo future

Il quinto ed ultimo ATV è stato chiamato in onore del fisico belga Georges Lemaître, su proposta della delegazione belga dell'ESA. Lemaître, nato a Charleroi, ha scoperto nel 1927 un gruppo di soluzioni alle equazioni della relatività che descrivevano un universo in espansione e ha calcolato una prima stima della costante di Hubble, ponendo le fondamenta di quella che sarebbe diventata la teoria del Big Bang..

ARV: l’occasione perduta

Il successo dell'ATV ha spinto l'agenzia spaziale europea a studiare una evoluzione del veicolo in grado di riportare a Terra in sicurezza dei carichi provenienti dalla stazione spaziale, come equipaggiamento relativo ad esperimenti.

Questa evoluzione, chiamata Advanced Reentry Vehicle (ARV), presentava la sezione pressurizzata dell'Integrated Cargo Carrier dell'ATV era sostituita da una capsula di rientro dotata di uno scudo termico.

Una volta dimostrata la capacità della capsula di rientro di tornare sulla Terra in sicurezza, l'ESA pianificava di progettare una navetta per il trasporto di equipaggio, migliorando il sistema di propulsione dell'ARV, aggiungendo i sistemi di supporto vitale e modificando il lanciatore Ariane 5 ES in modo da soddisfare i requisiti necessari per il trasporto di astronauti. L'ARV con equipaggio doveva essere dotato di sistemi di sicurezza tra cui un sistema di abbandono del lancio.

I piani dell'agenzia spaziale erano di sviluppare l'ARV senza equipaggio nel 2015 e la versione con equipaggio nel 2020.

Per provare le tecnologie relative al rientro atmosferico, nel 2009 Thales Alenia Space è stata incaricata dello sviluppo di un veicolo dimostrativo chiamato European Experimental Reentry Testbed (Expert). Questo veicolo sarebbe stato lanciato da un sottomarino russo con un razzo Volna, avrebbe raggiunto i 100 km di altezza e sarebbe rientrato nella penisola della Kamčatka ad una velocità di 5 km/s. Tuttavia nel 2012 il ministero della difesa russa ha ritirato l'offerta di usare del lanciatore Volna per il volo di prova. Il progetto è stato quindi accantonato.

I progetti relativi all'ARV sono stati cancellati a favore di una collaborazione con la NASA per il programma di sviluppo della navetta Orion. L'agenzia spaziale europea ha concluso un accordo con quella statunitense nel 2013, per la costruzione del modulo di servizio di Orion, sviluppato sulla base dell'ATV. Il modulo, chiamato European Service Module, contiene il sistema di propulsione, i pannelli solari e i relativi sistemi di immagazzinamento e distribuzione dell'energia, il sistema di controllo termico e i serbatoi per fornire l'acqua potabile e i gas come ossigeno e azoto per gli astronauti.

Per conoscere curiosità, aneddoti e molto altro, raccontati dalla viva voce di chi sull’ATV ci ha lavorato, Liliana Ravagnolo, addestratrice degli equipaggi presso il centro spaziale ESA di Colonia e Massimo Cislaghi, Mission Manager di alcune missioni ATV, vi rimando alla serata in diretta del 20/2/2025 che potrete trovare nel video seguendo questo link.