Gambe progettate per Marte testate a Torino: come l’Europa prepara l’atterraggio di ExoMars

Test strutturali e dinamici delle gambe di atterraggio di ExoMars: come l’Europa prepara il touchdown su Marte attraverso simulazioni, sensori e campagne di prova a scala reale.

L’atterraggio su Marte rappresenta una delle fasi più complesse e critiche di qualsiasi missione interplanetaria. Nel caso della missione ExoMars, guidata dall’European Space Agency, la riuscita del touchdown dipende da una catena di sistemi altamente integrati, tra cui paracadute, motori di discesa e, soprattutto, le gambe di atterraggio del modulo di discesa.

Negli ultimi mesi, ingegneri europei hanno condotto una campagna intensiva di test fisici per verificare la capacità del sistema di atterraggio di resistere alle condizioni estreme della superficie marziana. Queste prove non hanno riguardato modelli digitali o simulazioni astratte, ma strutture reali, a scala completa, sottoposte a impatti controllati in condizioni il più possibile rappresentative di quelle che il veicolo incontrerà sul Pianeta Rosso.

Il contesto della missione ExoMars

La missione ExoMars ha l’obiettivo di portare sulla superficie marziana il rover Rosalind Franklin, progettato per esplorare il sottosuolo alla ricerca di tracce di vita passata. Il successo scientifico della missione dipende in modo diretto dalla fase di atterraggio: un singolo errore strutturale o temporale durante il contatto con il suolo potrebbe compromettere l’intera missione.

Il modulo di discesa è concepito come una piattaforma quadrupede, dotata di quattro gambe leggere, dispiegabili e interconnesse, progettate per assorbire l’energia dell’impatto e garantire la stabilità immediata del veicolo una volta a terra.

Una campagna di test a scala reale

Per validare il progetto, Thales Alenia Space e Airbus hanno condotto una serie di test presso le strutture di ALTEC a Torino. Thales Alenia Space ricopre il ruolo di capocommessa industriale della missione, Airbus fornisce la piattaforma di atterraggio, mentre ALTEC supporta le attività tecniche e sperimentali.

Per oltre un mese, i team hanno eseguito decine di lanci verticali utilizzando un modello a grandezza naturale del modulo di atterraggio. La struttura impiegata riproduce fedelmente forma, dimensioni e architettura delle gambe che voleranno su Marte.

Cadute controllate, dati reali

Le prove sono consistite nel rilasciare il modello da altezze e velocità variabili, modificandole anche di pochi centimetri. Questa scelta metodologica consente di esplorare una gamma ampia di condizioni di contatto, includendo scenari marginali che potrebbero verificarsi durante un atterraggio reale.

Ogni impatto fornisce dati preziosi sul comportamento dinamico della struttura, sull’assorbimento dell’energia e sulla distribuzione delle forze tra le quattro gambe.

Perché le gambe di atterraggio sono un sistema critico

Le gambe del modulo di discesa non svolgono una funzione passiva. Oltre a sostenere il peso del veicolo, devono garantire che la piattaforma resti in posizione stabile, evitando ribaltamenti o inclinazioni eccessive. Marte presenta una superficie irregolare, caratterizzata da rocce, pendenze e suoli incoerenti.

Gli ingegneri devono quindi considerare:

• atterraggi su superfici dure o soffici;
• contatto iniziale su una sola gamba;
• presenza di ostacoli come rocce sotto una o più gambe;
• angoli di impatto non perfettamente verticali.

Ogni scenario impone sollecitazioni diverse alla struttura, che deve rimanere funzionale in tutti i casi previsti.

Struttura delle gambe e assorbimento degli urti

Le gambe del modulo ExoMars sono leggere, dispiegabili e dotate di ammortizzatori. La loro interconnessione permette di distribuire le forze d’impatto, riducendo il rischio di concentrazioni di stress che potrebbero causare cedimenti strutturali.

Durante i test, le quattro gambe hanno dimostrato di replicare in modo accurato il comportamento previsto per il veicolo reale, confermando la validità del progetto meccanico.

La stabilità come requisito primario

Uno degli aspetti più delicati dell’atterraggio riguarda la stabilità immediata dopo il contatto con il suolo. Un ribaltamento, anche minimo, potrebbe impedire il corretto dispiegamento del rover o compromettere i sistemi di comunicazione.

Come sottolineato da Benjamin Rasse, responsabile ESA per il modulo di discesa ExoMars, l’obiettivo delle prove è verificare che la piattaforma rimanga stabile anche in condizioni non ideali, come un atterraggio inclinato o su un terreno irregolare.

Il ruolo dei sensori di touchdown

Oltre alla resistenza strutturale, la campagna di test ha verificato il funzionamento dei sensori di contatto con il suolo, installati su ciascuna gamba. Questi sensori rilevano l’avvicinamento e il contatto con la superficie marziana e attivano lo spegnimento dei motori di discesa.

Il tempo di risposta del sistema è un parametro critico. Anche dopo il contatto con il suolo, i motori necessitano di una frazione di secondo per spegnersi completamente. Un ritardo eccessivo potrebbe sollevare materiale dal suolo, danneggiare la piattaforma o generare una spinta destabilizzante.

Una soglia temporale estremamente ridotta

L’obiettivo ingegneristico fissato dal team è ridurre il tempo di spegnimento a meno di 200 millisecondi dopo il touchdown. I dati raccolti durante la campagna indicano che i sensori operano ampiamente entro questo limite, garantendo un margine di sicurezza adeguato.

Superfici dure e suoli simulati marziani

Le prove hanno incluso superfici rigide e terreni soffici, riempiti con polveri che riproducono la granulometria e la composizione chimica del suolo marziano. Questo materiale è lo stesso impiegato per testare la mobilità del rover Rosalind Franklin.

Dati, modelli e simulazioni

Il modello di atterraggio è dotato di sensori di forza, accelerometri, laser di misurazione e sistemi di acquisizione. Le telecamere ad alta velocità permettono di analizzare nel dettaglio la sequenza di contatto e deformazione. Tutti i dati confluiscono in un modello numerico utilizzato per simulare scenari di atterraggio su Marte.

Le prossime fasi della campagna di test

Nei mesi successivi, il modulo verrà fatto atterrare su una slitta mobile a velocità più elevate, per simulare atterraggi inclinati. Questa configurazione richiede aggiornamenti alle misure di sicurezza del sito, a tutela del personale coinvolto.

Verso il lancio e l’atterraggio su Marte

I risultati delle campagne di test confluiranno nella fase finale di validazione del modulo di discesa, in vista del lancio pianificato per il 2028 e dell’atterraggio del rover nel 2030.

La preparazione dell’atterraggio di ExoMars mostra come l’esplorazione planetaria moderna si fondi su un equilibrio preciso tra sperimentazione fisica e modellazione numerica. Ogni prova contribuisce a ridurre l’incertezza di uno dei momenti più delicati di un’intera missione spaziale.