Modeling and Analysis of Tethered Systems and Towed Body Dynamics for Venus Aerobot Missions

Venere, il vicino “gemello” della Terra, nasconde informazioni che potrebbero aiutarci a comprendere meglio la natura della Terra e degli esopianeti. Nonostante le somiglianze con la Terra, Venere si è trasformato in un pianeta dalle condizioni estreme, diventando così oggetto di un interesse scientifico sempre più intenso. Uno degli aspetti più intriganti di Venere è il suo effetto serra, che determina temperature sulla superficie tali da fondere addirittura il piombo. Studiando l'atmosfera e le dinamiche climatiche di Venere, gli scienziati mirano a comprendere i meccanismi che determinano i cambiamenti climatici sulla Terra. Il NASA’s Jet Propulsion Laboratory sta progettando missioni per sopravvivere alle temperature estreme e alla pressione atmosferica di questo pianeta. Ci potrebbero essere diverse opzioni per studiare l'atmosfera e la superficie di Venere catturando campioni. Sono stati proposti progetti come piattaforme galleggianti e uno dei più promettenti è l'utilizzo di un pallone scientifico autonomo, chiamato anche "aerobot", che naviga nell'atmosfera utilizzando la forza di galleggiamento per mantenere una determinata altitudine (circa 52 km). Ciò consentirebbe al pallone di lavorare in un ambiente con temperature e pressioni simili a quelle terrestri, dove si possono utilizzare e testare materiali allo stato dell'arte. Il modo migliore per comprendere la risposta dinamica di un pallone aerostatico di questo tipo nell'ambiente venusiano è testare diverse architetture attraverso l’utilizzo di un simulatore. Questa ricerca mira a dimostrare come un simulatore efficiente e di facile utilizzo possa essere estremamente utile per catturare e testare la dinamica di varie architetture di sistema con scopi diversi. Il simulatore ha implementato due approcci di modellazione, in particolare il lumped-mass ed il DeNOC (Decoupled Natural Orthogonal Matrix) sono stati utilizzati per le diverse analisi. Sono state effettuate alcune validazioni per migliorare l'affidabilità dei risultati del simulatore, tra cui la verifica incrociata tra i risultati ottenuti con entrambi gli approcci di modellazione. Inoltre, è stato implementato un modello di vento stocastico per tenere conto delle incertezze legate al comportamento dell'atmosfera di Venere. Un ulteriore tema importante di questa ricerca è la capacità del simulatore di analizzare la dinamica di sistemi trainati. Tali sistemi possono consentire l’utilizzo di un payload, come una macchina fotografica, in grado di operare a quote inferiori per fotografare la superficie di Venere. Inoltre, è possibile modificare la traiettoria del sistema sfruttando le forze aerodinamiche che agiscono sul corpo trainato generate, ad esempio, da una vela situata a centinaia di metri o addirittura a chilometri di distanza dal pallone. In particolare, la ricerca dimostra la fattibilità di tracciare ed inseguire la traiettoria del corpo trainato utilizzando un drone che vola autonomamente nell'atmosfera venusiana. Questo approccio consentirebbe di raccogliere campioni dalla superficie ad alta pressione e temperatura di Venere. In conclusione, il simulatore è fondamentale per la valutazione delle varie architetture di sistema e per la comprensione dell'intera dinamica della flight chain, che comprende palloni, fili e corpi trainati. In un quadro più ampio, ciò evidenzia l'importanza della simulazione per testare ed ottimizzare sistemi complessi per l'esplorazione interplanetaria.