Raccolta casi Working Model, visualNastran & SimWise - NASA-JPL ed il Rover

Il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA utilizza il software di prototipazione virtuale Working Model per sviluppare, provare ed ottimizzare un veicolo robotizzato, simile al Rover lanciato su Marte, per la prima missione su di un asteroide assieme all'Istituto di Scienze Spaziali e Astronautiche (ISAS) giapponese.

Il campo di gravità estremamente ridotto di un asteroide, al contrario di quello di un pianeta come Marte, costituisce un'inaspettata sfida per questa missione. Il JPL ha ritenuto di ricorrere alla prototipazione virtuale per sperimentare la dinamica del movimento del veicolo robotizzato fin dalla fase iniziale del suo sviluppo.

Battezzata MUSES-C, la missione verrà lanciata con un vettore giapponese tipo M-5 nel gennaio 2002 dal centro spaziale Kagoshima in Giappone. La discesa sull'asteroide Nereus è prevista nel settembre del 2003 ed il ritorno sulla Terra nel 2006. L'ambizioso obbiettivo della missione è la raccolta di campioni del suolo dell'asteroide e il loro trasporto sulla Terra per analisi molto più complete e approfondite di quelle che si potrebbero realizzare sull'asteroide.

Nereus, un piccolo asteroide vicino alla Terra di qualche chilometro di diametro, è stato scoperto nel 1982. Nel suo punto più vicino al Sole, la sua orbita si trova proprio dentro quella della Terra. Gli scienziati desiderano studiare Nereus perchè la sua composizione, rotazione e durata del giorno e della notte restano tuttora un mistero.

"Con il successo di questa missione avremo la prima presa di visione sulla composizione dei materiali che hanno contribuito a formare i pianeti rocciosi più interni del nostro sistema solare più di quattro bilioni di anni fa," riferisce il Dr. Jurgen Rahe, direttore del Dipartimento Solar System Exploration al quartier generale della NASA a Washington. La NASA e l'ISAS coopereranno in svariati aspetti della missione, compresi i servizi di supporto e le analisi scientifiche.

La NASA JPL svilupperà e costruirà il veicolo Rover per uno studio indipendente della superficie dell'asteroide. Il JPL, divisione del California Institute of Technology e centro di ricerche della NASA, è il leader negli USA per l'esplorazione del sistema solare.

Il JPL ha costruito veicoli spaziali, sonde e sistemi robotizzati che hanno visitato tutti i pianeti conosciuti del nostro sistema ad eccezione solo di Plutone. Oltre al lavoro per la NASA, il JPL conduce progetti anche per svariate altre agenzie federali.

Il veicolo Rover in corso di sviluppo sarà il più piccolo mai progettato dall'uomo per esplorazioni spaziali. Le sue dimensioni fisiche sono pari circa a 150 x 150 x 100 mm, con una massa inferiore ai 500 grammi. Provvisto di quattro ruote motrici, porterà a bordo due strumenti scientifici: una telecamera nello spettro visibile ed uno spettrometro nel vicino infrarosso. La telecamera riprenderà le forme fisiche dell'asteroide mentre lo spettrometro studierà le proprietà della sua superfice.

Il veicolo Rover sarà "trasportato" dal veicolo ISAS durante il volo e poi verrà "rilasciato" poco prima dell'inizio della raccolta di campioni su Nereus. L'energia solare permetterà i movimenti del Rover mentre il veicolo ISAS assisterà con le comunicazioni trasferendo i dati alla Terra.

La missione completerà un altro grande traguardo ingegneristico per il JPL della NASA. "Speriamo che la missione possa trasferire dati di rilievo da Nereus sia per gli scienziati che per gli ingegneri sulla Terra," ha commentato il Dr. Eric T. Baumgartner, Ph.D., della sezione Science and Technology Development del JPL, Divisione Ingegneria Meccanica, incaricato dello sviluppo del design del veicolo robotizzato Rover.

Le missioni spaziali presentano sempre un alto grado di rischio per la molteplicità di aspetti poco conosciuti o del tutto imprevisti. In questo caso, soprattutto, la ridottissima gravità dell'asteroide influenzerà clamorosamente la missione. "Mentre Marte presenta circa un terzo della gravità della terra, e la Luna circa un ottavo, l'asteroide Nereus presenta il valore 0,00002, e pertanto i movimenti del Rover sono veramente imprevedibili," fa notare il dr. Baumgartner.

Questa ridottissima gravità ha particolari ripercussioni sul progetto del Rover, influenzando il modo in cui questo si può movere sulla superficie dell'asteroide. Senza un certo livello di gravità, infatti, non solo le ruote del Rover possono non avere sufficiente trazione, ma addirittura la coppia di trazione può far saltare il veicolo e farlo volare via dalla superficie dell'asteroide verso lo spazio infinito.

Il Dr. Baumgartner ha scelto il Working Model^® 2D ed il Working Model^® 3D, software di prototipazione virtuale della Working Model, Inc., divisione della Knowledge Revolution californiana, per capire e visualizzare le prestazioni meccaniche del Rover sulla superficie dell'asteroide. Il Working Model, rappresentato e distribuito in Italia da Lista Studio srl, è un software di analisi cinematica e dinamica del moto che consente agli ingegneri di provare il funzionamento di una nuova macchina senza dover costruire il prototipo fisico.

Il Dr. Baumgartner ha iniziato dapprima ad usare il Working Model 2D versione 4.0 per analizzare il comportamento dinamico del Rover. Il risultato fornito da questo studio ha consentito di provare chiaramente come il minuscolo livello di gravità dell'asteroide sia comunque sufficiente a consentire la trazione delle ruote. "Il Working Model 2D, in poche parole, ci ha fatto capire come far girare le ruote del Rover," ha sintetizzato.

Secondo il dr. Baumgartner, il ricorso al Working Model 2D ha consentito di determinare il livello di prestazioni attendibili dal Rover. Questo, ovviamente, si traduce sulla soluzione delle tecniche di guida e comando che verranno usate durante l'esplorazione radiocomandata da Terra.

In una successiva fase di sviluppo, il dr. Baumgartner ha iniziato lo studio tridimensionale del Rover con il software Working Model 3D version 2.0 al fine di capire le migliori strategie di governo. "Non è solo importante fare esperimenti nel piano bidimensionale, ma anche e soprattutto nello spazio tridimensionale per meglio capire la gamma completa di movimenti attuabili con il Rover" ci ha riferito. In aggiunta, la disponibilità di modelli virtuali VRML 2.0 consente di trasferire in internet il modello virtuale funzionante del veicolo, realizzato con il Working Model, per un'esplorazione da tutti i punti di vista.

Comandare accuratamente i movimenti del Rover sia nella simulazione che nell'asteroide Nereus ci assicura l'esplorazione accurata della superficie dell'asteroide. "Ci attendiamo dal Working Model 3D un aiuto nel capire e governare la dinamica così imprevedibile del Rover testando tutti i possibili movimenti in un ambiente di simulazione," ha continuato.

Sebbene il lancio della spedizione disti ancora qualche anno, il dr. Baumgartner ha apprezzato moltissimo le possibilità di studio dei movimenti del Rover con il Working Model. Nel frattempo, i Working Model 2D e 3D continueranno ad essere utilizzati come insostituibili strumenti per costruire i migliori veicoli robotizzati per gli ambienti più ostili come un asteroide. "Con il successo di questa missione, il JPL proverà che portare un veicolo su di un asteroide non è solo possibile, ma anche scientificamente pianificabile," ha concluso il dr. Baumgartner.