Di seguito viene descritta una generica struttura di un veicolo spaziale:
1) Sistema di Protezione termica
In base alla tipologia della missione spaziale la struttura di un veicolo spaziale potrebbe essere soggetta o meno a significativi sbalzi di temperatura. Una prima linea di difesa "termica" in caso di esposizione diretta ad una fonte di calore potrebbe essere rappresentata da uno scudo termico resistente alle alte temperature e altamente riflettente, fissato su una intelaiatura in titanio a protezione della parte esposta alla radiazione. Tale struttura potrebbe essere composta da strati in ceramica Nextel (lo stesso materiale di rivestimento di alcune parti degli Space Shuttle) insieme a strati di isolante plastico Kapton. Nel caso di un'orbita attorno ad un pianeta andrebbe posta anche particolare attenzione ad eventuale radiazione riflessa. Come seconda linea di difesa si puo' predisporre un isolamento multistrato direttamente sulla superfice del veicolo spaziale per proteggerlo dalla radiazione incidente e di un sistema di radiazione interna del tipo Heat-Pipes per disperdere il calore proveniente dall'interno o nel caso di un ambiente a basse temperature di un sistema di protezione dalla dispersione del calore . Questi semplici accorgimenti permettono al veicolo spaziale di operare ad alte temperature senza particolari accorgimenti elettronici.
2) Sistema di Alimentazione
La fonte di alimentazione principale del veicolo spaziale e' data da un sistema di batterie (per esempio al nickel-idrogeno) ricaricate da un sistema di pannelli solari. Nel caso in cui la produzione di energia da parte dei pannelli sia eccessiva si dovrebbe provvedere ad un sistema che ne limiti la produzione per evitare eccessivi stress alla strumentazione elettronica e mantenere la temperatura operativa dei pannelli entro limiti ben difiniti. Per far cio' si potrebbe pensare ad un sistema a bordo che si occupa di convertire in energia solo la quantita' che il veicolo spaziale necessita. I pannelli potrebbero essere per esempio del tipo a riflettori ottici solari, formati da 2/3 di specchi ed 1/3 da celle solari; la funzione dei riflettori e' quella di riflettere l'energia solare e provvedere al raffreddamento delle celle. I pannelli devono anche poter ruotare sia per potersi orientare meglio rispetto alla radiazione solare e sia per proteggere la superfice da eccessive temperature.
3) Sistema di Propulsione
Il veicolo spaziale deve essere dotato di un sistema di propulsione per effettuare manovre; solitamente e' bene prevedere due tipi di sistemi di propulsione, uno dedicato a grandi manovre (si utilizza di solito un propulsore bipropellente) ed uno dedicato a piccole manovre di aggiustamento della traiettoria o controllo dell'assetto (propulsore idrazina-propellente). I contenitori dei propellenti in titanio leggero vengono progettati su misura ed integrati direttamente sulla struttura del veicolo spaziale.
4) Sistema di Comunicazione
Un sistema di comunicazioni per la trasmissione dei dati potrebbe includere sia antenne ad alto guadagno phased-array in banda-X (intervallo di frequenze comprese fra i 7,25 e 8,24 GHz) guidate elettronicamente, sia antenne fan-beam a medio guadagno e sia antenne a basso guadagno. Le antenne ad alto guadagno sono quelle utilizzate principalmente per inviare a terra dati scientifici (grosse quantita') e per aumentare la loro affidabilita' in un ambiente ad alte temperature dovrebbero essere di tipo fisso, senza parti in movimento. Le antenne a medio guadagno sono usate per la trasmissione a terra di dati a bassa velocita' cosi' come la trasmissione di comandi, dati di stato o comunicazioni di emergenza. Le antenne a basso guadagno possono essere usate per provvedere ad un sistema di comunicazione di emergenza bidirezioanle con la terra in caso di perdita di controllo del sistema. Le velocita' di trasmissione dei dati varieranno in base alla configurazione del sistema, dalla distanza con la Terra e dalle dimensioni delle antenne delle stazioni a Terra.
5) Sistema di Elaborazione
Il sistema di elaborazione deve essere di tipo IEM (Integrated Electronic Module), di dimensioni e peso ridotte; solitamente sono presenti due identici IEMs per motivi di backup. Ogni IEM puo' essere dotato di un processore che si occupa delle normali procedure operative ed un processore per la protezione dai guasti e devono poter tollerare le interferenze generate dalle radiazioni solari. I processori di protezione sono programmati per monitorare le condizioni di sistemi chiave del veicolo spaziale, essi sono sempre attivi e proteggono la navicella spegnendo i componenti guasti o passando all'occorrenza nella modalita' di backup. Il processore principale esegue i comandi ed il software per la gestione dei dati in fase di storage o trasferimento, cosi' come il software di navigazione e di manovra. Ogni IEM include un sistema di tipo solid-state per la momorizzazione dei dati (una specie di scatola nera), dei convertitori di potenza e le interfacce tra i processori e la strumentazione di bordo. I comandi operativi ricevuti dalla Terra possono essere eseguiti in tempo reale (real-time) o memorizzati ed eseguiti in un momento successivo; molto spesso le operazioni critiche (per esempio una manovra propulsiva) vengono programmate direttamente sul computer di bordo per essere eseguite automaticamente in istanti temporali pre-definiti. Per quanto riguarda i dati si devono prevedere due sistemi di memorizzazione (di cui uno utilizzato per backup); il processore principale utilizzera' la memoria per archiviare i dati provenienti dai sottosistemi o dalla strumentazione di bordo. Ogni file ha una priorita' di trasmissione ed il sistema provvede a trasmettere a Terra i file in base alla priorita' (in ogni caso, gli operatori sulla Terra hanno la possibilita' di scegliere anche i file da trasferire in qualunque ordine essi scelgano).
6) Sistema di Navigazione
Il sistema di navigazione deve essere abbastanza intelligente sia da mantenere la rotta che il giusto orientamento del suo scudo termico. La determinazione dell'assetto puo' avvenire attraverso delle telecamere per rintracciare stelle di riferimento, sensori digitali solari, misurazioni di tipo inerziali (IMU Inertial Measurement Unit) con l'uso di giroscopi ed accelerometri. Il controllo dell'assetto viene realizzato quando possibile attraverso delle ruote interne che permettono di girare il veicolo oppure quando necessario attraverso l'utilizzo dei piccoli propulsori. Le misurazioni inerziali determinano con precisione la velocita' di rotazione del veicolo spaziale e l'orientamento viene stabilito in base alla posizione delle stelle e del punto di riferimento (un pianeta, il sole e cosi' via); una volta al secondo una delle telecamere prende un'immagine grandangolare dello spazio in quel momento e confronta la posizione delle stelle con la sua mappa di bordo e calcola l'orientamento che deve mantenere. Il software di navigazione si occupa anche di ruotare automaticamente i pannelli solari in base all'orientamento relativo del sole assicurando cosi' che essi producano l'energia mantenendo la giusta temperatura di sicurezza. I sensori solari funzionano come backup del tracciamento delle stelle misurando costantemente l'angolazione del veicolo rispetto alla posizione del sole; se il sistema di navigazione rileva che la posizione del sole e' diversa rispetto ad una zona designata esso puo' iniziare automaticamente una manovra di assetto rispetto al sole. Il Centro di Controllo sulla terra puo' analizzare i dati nel frattempo che il veicolo punta le sue antenne verso Terra ed aspetta istruzioni; e' una condizione operativa di funzionamento in modalita' sicura.
Roberto Basile