LA TECNOLOGIA ITALIANA, ELEMENTO ESSENZIALE IN … · LA TECNOLOGIA ITALIANA, ELEMENTO ... Gli Sviluppi Tecnologici e le Ricadute Industriali ... • Nella valutazione della rilevamza

Una Società Finmeccanica 04/2000/1

Massimo Claudio Comparini, Chief TechnologyOfficerRoberto Somma, Responsabile Rapporti ComunitàScientifica

LA TECNOLOGIA ITALIANA, ELEMENTO ESSENZIALE IN UNA DELLE PIÙIMPORTANTI MISSIONI SPAZIALI SCIENTIFICHE

Radio comunicazioni, strumenti radar e radio scienza: un breve viaggio neisistemi e nelle tecnologie realizzate dall'industria italiana

Bologna, 18 Marzo 2005, Conferenza AEIT


1982: a joint evaluation of the European Science Foundation and the American Academy of Science identifies a mission to Saturn as a possible Europe/USA cooperation in planetary exploration, having scientific , technological and industrial values

1983: Recommendation of the US space committee to NASA

1984-85: Joint ESA/NASA evaluation of the mission

1987-88: ESA preliminary definition of the Titan probe Huygens, included in the agency’s scientific program

1986-88: NASA standard platform Mariner Mark II

1989: US Congress approval of Cassini/CRAF. Start of the selection process of the scientific instruments, for a launch in 1996.

1989: Start of industrial involvement to support scientificcommunities in their proposals for experiments


November 1989: Charles Elachi (JPL) visits Alenia Spazio

April 23-27, 1990: Audit of Alenia Spazio by JPL

1991: Competition with JPL for the Antenna reflector


1992: US Congress imposes a cost reduction to the program:

• CRAF mission is cancelled.

• Mariner Mark II is simplified.

• Launch is postponed to 1997.

1992-94: The “faster, better, cheaper” policy raises criticism to the program from the NASA Administrator, who proposes to cancel it.

1994: ESA DG letter to the Vice President of US (Al Gore) to firmly ask for the confirmation of the program, to allow Europe to continue to consider NASA a reliable partner in the overall scenario of bilateral cooperations.

1994: Cassini/Huygens is confirmed!!

1995: New request to cancel the program by the Budget Committe of the US House of Representatives. Not accepted!!


ASI Program Phase:Feasibility Study: Jan. 1990Phase A: Nov. 1990Phase B: Mar. 1992Phase B2: Dec. 1992Phase C/D: Jun. 1995

Major Reviews with JPLPreliminary Design Reviews: Jun. ’91 – Nov. ’92Intermediate Design Reviews: Jan. – May ’94Launch Assessement Reviews: Mar. ‘94Critical Design Reviews: Jun.’95 – Jun. ’96


1994: Contract with ASI still to be signed

1994: “Dust” from Antenna painting

1995: Mechanical I/F between Antenna and Spacecraft - problems during vibration

1995: Radar Front End thermal problems

1995: Inclusion of a Radiometer Mode to the Radar

SOME CRITICAL EVENTS


BreadboardBreadboard

DTMDTM

STMSTM

FMFM

PFMPFM

QMQM

EMEM

EQMEQM

ANTENNAANTENNA RFISRFISRADARRADAR PDRSPDRS

Jul. 95

Mar. 97

Sep. 96

Jun. 96

Oct. 95 Apr. 95

Apr. 96

Nov. 94

Oct. 95

Mar. 96

Model Philosophy


SCHEDULE CRITICALITY

• Launch date is constrained by the trajectory profile, depending on the planetary geometry

• Losing the launch window would imply two years delay and the definition of a new mission profile

Despite all the criticalities, Alenia Spazio has respected all the delivery dates as planned at the beginning oof the program.


1996: The spacecraft is assembled and tested April 1997: Spacecraft at Cape Canaveral4 m

7 m

Mass at launch: 5712 kgCassini (dry): 2125 kgHuygens: 320 kgPropellant: 3132 kgAdapter, etc.: 135 kg

Magnetometer boom: 11 m3 antennas for plasma waves: 10 m each

Power: Solid State thermo-electric conversionof the heat generated by the natural decay of Plutonium 238.BOL: 855 W - EOL(nominal): 633 W

Thermal Control: Multi-Layer Thermal Blankets; Computer controlled resistors; Plutonium dioxidesources (1 W each).


October 15th, 1997 - LaunchOctober 15th, 1997 - Launch

Credit: NASA/JPL

October 15th, 1997 - July 1st 2004: A long cruiseOctober 15th, 1997 - July 1st 2004: A long cruise


July 1st, 2004 - Saturn Orbit Insertion (SOI)July 1st, 2004 - Saturn Orbit Insertion (SOI)


Ion & Neutral Mass Spectrometer

Composite Infrared Spectrometer

Cosmic Dust Analyzer

Cassini Plasma Spectrometer

Ultraviolet Imaging Spectrograph

Cassini Radar

Imaging Science Subsystem

Visible & IR Mapping Spectrometer

Radio Science

Dual Technique Magnetometer

Magnetospheric Imaging Instrument

Radio & Plasma Wave Science

2 cameras (WAC, NAC). Imaging, Navigation

Rings & Moons Temperature, Composition & Structure

3 Spectrom.: Atmospheric T Profile, Surface composition

Imaging, Altimetry, Radiometry, Scatterometry

Atmosphere Components & Distribution (H, D)

Atmospheric Sounding (P & T profile). Relativity.

Ions & Electrons density, speed, T

Components & isotopes in the atmospheres and moons

Speed, Direction and Charge of particles

Intensity & direction of magnetic field (on the boom)

Ions & Electrons composition, charge, distribution

Electric & Magnetic fields of plasma

The Cassini Scientific Instruments


Radar

Antenna

RFIS

Alenia Spazio contribution to Cassini


2000: Jupiter Fly-by

2002: Between Jupiter and Saturn


October 26th, 2004:

The First Good Image of Titan Surface from Radar Mapper

Credit: NASA/JPL


The Huygens Mission on Titan

Credit: NASA/JPL

January 14th, 2005 - Huygens descent on TitanJanuary 14th, 2005 - Huygens descent on Titan

December 25th, 2004 - Huygens releaseDecember 25th, 2004 - Huygens release


The Huygens Scientific Instruments

Huygens Atmospheric Structure Instrument

HASI

Doppler Wind Experiment

DWE

Gas Chromatograph/Mass Spectrometer

GCMS

Aerosol Collector and Pyrolyzer

ACP

Descent Imager/Spectral Radiometer

DISR

13 fields of view (VIS & IR). Images. Atmosphere radiative budget. Multispectralanalysis.

Atmosphere physical properties, density, pressure & temperature profile. Processing of radar data for surface topography, roughness, electrical properties

Collection & heating of aerosol particles forGCMS

Quantitative analysis of Titan atmosphere

Wind and turbulence measurement through dopplershift

Surface Science Package

SSPSet of instruments to derive composition and physical properties of the surface


PDRSAlenia Spazio

contribution to Huygens

S-band Receiver (Cassini)

Power Stage

S-band Transmitter S (Huygens)

CDMS


January 14, 2005: Titanunveiled

from 16,2 km

from 8 km

ON THE SURFACE !!

Credit: ESA/NASA/JPL/University of Arizona


Cassini Huygens is the most complex Deep Space mission in the history of NASA.

Overall budget: 3,6 B US$ESA contribution: 15%ASI contribution: 5%


• Before 1982: Science Community Preparatory Analysis

• 1982 - 1989: Decision Process

• 1990 - 1997: Development

• 1997 - 2004: Interplanetary Cruise & Scientific Experiments

• 2004 - 2008: Nominal Mission Duration in orbit around Saturn

More than a quarter of a century !!!

• Participation of 17 Countries

• More than 5000 people involved

• About 260 Scientists involved worldwide

Cassini/Huygens: a long lasting internationalcooperation



Gli Sviluppi Tecnologicie le Ricadute Industriali

Massimo Claudio Comparini

Chief Technology Officer


• Le missioni di spazio profondo sonocaratterizzate da un lungo periodo di incubazione, realizzazione e di crociera

• Tra il concepimento della missione, la realizzazione degli apparati e lo svolgimento dellamissione stessa intercorre un periodo di 12/ 15 anni

• Nella valutazione della rilevamza tecnologica dellamissione occorre quindi considerare tale aspettoe proiettare gli achievement a sviluppi antecedentianche di 15 anni.

Il Contesto


• Tutti i nostri contributi alla missione sono staticaratterizzati da architetture di progetto e breakthrough tecnologici di particolare rilevanza

• Il progetto dell’antenna ad alto guadagno (HGA) ha rappresenta un contributo fondamentale per lo svolgimento dell’intera missione

• Architetture avanzate sono state progettate per la generazione di frequenza, l’elaborazione e la generazione del segnale radar, il processamentonumerico nella ricezione e demodulazione del segnale ed infine per le comunicazioni e la gestione automatica della sonda Huygens

Gli Sviluppi Tecnologici


• Gli sviluppi tecnologici hanno implicato l’utilizzodi materiali avanzati per la costruzionedell’antenna . . . .


Sub RiflettoreDicroico a tre schermi

Sottosistema diIlluminazione


• . . . . di nuove tecnologie costruttive per lo sviluppo dell’elettronica di bordo . . . .


KAT LNA

MWR IF

PSA RxDig


• . . . . ed hanno consentito il concepimento diarchitetture avanzate per gli strumenti e i sistemidi bordo.


KAT LO

PSA DDS


• Le tecnologie studiate e realizzate nell’ambito deisingoli sviluppi hanno avuto ricadute importanti nelcampo delle comunicazioni commerciali satellitari, delle successive missioni scientifiche ed in moltiprodotti sviluppati e prodotti nell’ultima decade

Le Ricadute Industriali



30

L’Antenna

Il TitanRadarMapper

L’RFIS

Il PDRS

Il CDMS


L’Antenna

L’Antenna ha costituito uno deglielementi di maggiore rilevanzanegli sviluppi per la missioneCassini.

Lo sviluppo di un dicroico a quattrobande, del feed multi banda e deisuoi elementi costituenti con funzioni di diplexing e la selezione e qualifica di nuovegenerazioni di materialicompositi sono solo alcuni deglielementi di maggiore rilevanzaprogettuale e tecnologica


Il Titan Radar MapperIl Titan Radar Mapper è uno degli

strumenti principali a bordo diCassini. Strumento multi modo(Radiometro, Imaging, Backscatter, Altimetro, Sounder) consente la precisa mappatura del superficie diTitano

Tra gli equipaggiamenti checostituiscono il Radar particolarmente rilevanti sonostati gli sviluppi del microwave receiver e del digital chirp generator entrambi seguiti daimportanti filiere di prodotto


Il RFIS – Radio Frequency Instrument S/S

First IFFront End

SPLL

Q

I

Demodulator

X3 SPLL

VCXO

90°0°

Second IFFrx

Ftx

Lo sviluppo del KAT ha rappresentatouna pietra miliare nello studio diarchitetture, nella progettazione e realizzazione degli equipaggiamentiper missioni scientifiche di spazioprofondo.

L’elemento di assoluto livello èrappresentato dalla progettazione diuna archittetura, e delle relative tecnologie circuitali, di traslatorecoerente ad altissima stabilità difrequenza e con prestazioni maiottenute precedentemente di rumoredi fase


Il Probe Data Relay SubsystemIl Probe Data Relay Subsystem ha consentito la comunicazione tra la sonda Huygens durante la suadiscesa verso Titano e l’orbiter Cassini


Il Ricevitore Probe Support Avionic PSA

First IFFront End

Rx CMOS ASIC

X316F1

TCXO

Second IFFrx

A/D

32F1

16F1

4F1

D/A

Micro Processor

GaAs NCO

Data Handling

Il Ricevitore PSA ha rappresentato ilprimo concepimento di unaarchittetura numerica per la funzione di ricezione e demodulazione di dati (TT&C) in missioni di spazio profondo


• Tecniche Progettuali• Materiali• Testing

Il CDMS

La sonda nella sua discesa completamente autonoma verso la superficie di Titano è stata gestita dal sistema di comando, controllo e gestione denominato CDMS. Il sistema è composto da due calcolatori di bordo, due radar altimetri (forniti da Ylinen), timer di missione (fornito da Terma), unitàaccelerometri radiali, assiali e da interruttori a “gravità”.


Le Ricadute Industriali


• Lo sviluppo del Titan Radar Mapper si è inseritonella profonda tradizione tecnologica ed industriale aziendale con grandi ricadute in programmi scientifici successivi (Marte) fino airecenti sviluppi per i radar di Cosmo e del MRO (Sharad).

La Filiera e le Tecnologie Radar

RFES

CosmoRA-2

XSAR

ERS1-2

RFES


• Gli sviluppi del KAT RFIS e del Ricevitore PSA hanno rappresentato le prime realizzazioni diequipaggiamenti per missioni di spazio profondoaprendo una filiera di prodotto con un posizionamento attuale di leadership

Le comunicazioni di spazio profondo


HuygensPSA

CassiniKAT

RosettaDSX

MexDSX

VexDSX

KaDSX, KAT

Bepi

Input Filter

DC/DC Converter

Digital Module

Receiver Analog Module

Transmitter Analog Module

Apparati Deep Space – La Road Map


• Molti degli sviluppi tecnologici utilizzati e qualificati per la prima volta per la missioneCassini Huygens sono stati utilizzati in modopervasivo in molte realizzazioni, sistemi ed equipaggiamenti dell’ultima decade

Le tecnologie abilitanti – l’elettronica

Cassini KAT LNA

Ka Band Rx P/L Rx Platform

Le Microonde




Il Processamento Numerico

PSA Rx Digital

ASICµP

DAC DDS

ADC

Rosetta DST

MSDRX ASIC

ADC

Ranging Filter

Interfaces

Loca

l Reg

ulat

ors

DAC

DigDemod




La generazione di frequenza

La generazione ed ilprocessamento del segnale radar

I Calcolatori diBordo


Un Lungo Affascinante Viaggio delle Nostre Tecnologie

Documents

LA TECNOLOGIA ITALIANA, ELEMENTO ESSENZIALE IN … · LA TECNOLOGIA ITALIANA, ELEMENTO ... Gli Sviluppi Tecnologici e le Ricadute Industriali ... • Nella valutazione della rilevamza