Logistica spaziale - Space logistics

La logistica spaziale è "la teoria e la pratica di guidare la progettazione del sistema spaziale per l'operatività e di gestire il flusso di materiali, servizi e informazioni necessarie durante il ciclo di vita del sistema spaziale" e include la logistica terrestre a sostegno dei viaggi nello spazio, inclusi eventuali ulteriori " progettazione e sviluppo, acquisizione, immagazzinamento, spostamento, distribuzione, manutenzione, evacuazione e disposizione di materiale spaziale ", movimento di persone nello spazio (sia di routine che per emergenze mediche e di altro tipo) e contrattare e fornire tutti i servizi di supporto necessari per il mantenimento dello spazio viaggio.

Storia

Già nel 1960, Wernher von Braun parlava della necessità e del sottosviluppo della logistica spaziale:

Abbiamo un problema logistico in arrivo nello spazio ... che sfiderà il pensiero degli ingegneri logistici più visionari. Come sapete, attualmente stiamo studiando tre regioni dello spazio: vicino alla Terra, la regione lunare e i pianeti . Sebbene sia sicuro affermare che tutti noi siamo stati indubbiamente consapevoli di molti o della maggior parte dei requisiti e dei problemi logistici nella discussione, almeno in generale, penso sia anche sicuro affermare che molti di noi non si sono resi conto l'enorme portata delle attività svolte nell'area logistica. Spero che le discussioni portino a una migliore comprensione del fatto che il supporto logistico è una parte importante della maggior parte dei grandi progetti di sviluppo. Il supporto logistico, infatti, è una delle principali cause del successo o del fallimento di molte imprese.

Nel 2004, con la NASA che ha avviato un'iniziativa governativa per esplorare la Luna , Marte e oltre, sono state identificate una serie di carenze sia nella capacità che nella capacità di supportare le esigenze logistiche anche nell'orbita terrestre bassa.


Entro il 2005, gli analisti hanno riconosciuto l'imminente opportunità per i governi nazionali coinvolti nel programma Space Shuttle di ridurre i costi acquisendo commercialmente servizi di logistica per il trasporto merci dopo il completamento della fase di costruzione della Stazione Spaziale Internazionale , allora prevista entro il 2010.

Attività dopo il 2005

Secondo la Manufacturing Business Technology,

La NASA ha assegnato 3,8 milioni di dollari a due professori di ingegneria del MIT per perseguire uno studio interdisciplinare per adattare la logistica della catena di approvvigionamento per supportare il trasporto e il trasferimento di materiali interplanetari. I professori David Simchi-Levi e Olivier de Weck della divisione MIT Engineering Systems guideranno il progetto in collaborazione con Jet Propulsion Laboratory , Payload Systems e United Space Alliance .
L'esplorazione spaziale sostenibile è impossibile senza un'adeguata gestione della catena di approvvigionamento e, a differenza di Apollo, l'esplorazione futura dovrà fare affidamento su una complessa rete di approvvigionamento a terra e nello spazio. L'obiettivo principale di questo progetto è sviluppare un quadro completo di gestione della catena di approvvigionamento e uno strumento di pianificazione per la logistica spaziale. L'eventuale quadro di logistica spaziale integrata comprenderà il movimento terrestre di materiale e informazioni, il trasferimento ai siti di lancio , l'integrazione del carico utile sui veicoli di lancio e il lancio in orbita terrestre bassa , il trasferimento nello spazio e planetario e la logistica di superficie planetaria. Il modello di gestione della catena di fornitura interplanetaria guidato dal MIT adotterà un approccio di sviluppo in quattro fasi:
1. Revisione delle lezioni sulla gestione della catena di approvvigionamento apprese dai progetti commerciali e militari basati sulla Terra, compresi i sottomarini navali e la logistica artica
2. Analisi della rete di logistica spaziale basate sulla modellazione delle orbite Terra-Luna-Marte e dei siti di esplorazione di atterraggio previsti
3. Modellazione della domanda / offerta che abbraccia l'incertezza nella domanda, nel mix di merci, nei costi e nelle interruzioni della catena di approvvigionamento
4. Sviluppo di un'architettura di filiera interplanetaria.

Esempi di classi di fornitura

Tra le classi di fornitura identificate dal MIT Space Logistics Center:

  • Propellenti e combustibili
  • Disposizioni e operazioni dell'equipaggio
  • Manutenzione e manutenzione
  • Stivaggio e contenimento
  • Rifiuti e smaltimento
  • Abitazione e infrastrutture
  • Trasporti e vettori
  • Varie

Nella categoria del trasporto spaziale per il supporto della ISS , si potrebbero elencare:

Tianzhou (navicella spaziale) è l'unica navicella spaziale sacrificabile senza pilota per la Stazione Spaziale Cinese .

Stato della capacità logistica della ISS nel 2005

Un'istantanea della logistica di una singola struttura spaziale, la Stazione Spaziale Internazionale, è stata fornita nel 2005 tramite uno studio completo condotto da James Baker e Frank Eichstadt. Questa sezione dell'articolo fa ampio riferimento a tale studio.

Requisiti per il carico della ISS

A partire dal 2004, la Stati Uniti dello Space Shuttle , la russa Progress , e in misura molto limitata, il russo Soyuz veicoli erano gli unici di trasporto spaziale sistemi in grado di trasportare carichi ISS.

Tuttavia, nel 2004, era già previsto che il veicolo di trasferimento automatizzato europeo (ATV) e il veicolo di trasferimento giapponese H-IIA (HTV) sarebbero stati introdotti in servizio prima della fine dell'assemblea della ISS . A partire dal 2004, lo Shuttle statunitense ha trasportato la maggior parte del carico pressurizzato e non pressurizzato e fornisce praticamente tutta la capacità di massa recuperabile (la capacità di rientro non distruttivo del carico).

Capacità del veicolo da carico

Baker ed Eichstadt hanno anche scritto, nel 2005:

Una comprensione dei futuri requisiti di carico della ISS è necessaria per dimensionare un veicolo da carico commerciale progettato per sostituire le capacità e le capacità dello Shuttle e aumentare i veicoli alternativi attualmente pianificati. Stime accurate dei requisiti di trasferimento del carico della ISS sono difficili da stabilire a causa dei continui cambiamenti nei requisiti logistici, nei livelli di assistenza dell'equipaggio, nella disponibilità dei veicoli e nel ruolo in evoluzione che la ISS svolgerà nell'esplorazione spaziale e negli obiettivi di ricerca della NASA.
Negli anni 2007-2010 è stato dimostrato un aumento del fabbisogno di consegna di merci non pressurizzate. Questo aumento della velocità è il risultato di un piano attuale per preposizionare parti di ricambio non pressurizzate sulla ISS prima del ritiro dello Shuttle. La fornitura di un vettore mercantile in grado di trasportare ricambi non pressurizzati per integrare lo Shuttle elimina il requisito di preposizionamento e allinea le medie stimate nel periodo 2007-2010 a circa 24.000 kg per il carico pressurizzato e 6800 kg per il carico non pressurizzato. Considerando la capacità di consegna dei sistemi rimanenti dopo il ritiro dello Shuttle, i rendimenti.
Il ritiro dello Shuttle e la dipendenza da Progress, ATV e HTV per la logistica della ISS non comporteranno alcuna significativa capacità di riduzione della massa recuperabile. Inoltre, nessuna prova suggerisce che uno qualsiasi di questi sistemi di trasporto merci possa aumentare la produzione e le velocità di lancio per coprire la carenza di consegna del carico.

Opportunità commerciale

Baker ed Eichstadt hanno anche scritto, nel 2005:

Oltre alle carenze del supporto ISS, esistono opportunità alternative per un sistema di trasporto merci commerciale. Il ritiro dello Shuttle comporterà anche l'incapacità di condurre ricerche in orbita terrestre bassa (LEO) indipendentemente dalla ISS. Un servizio di carico utile commerciale potrebbe fungere da piattaforma di ricerca a volo libero per soddisfare questa esigenza. Man mano che emergono i requisiti di supporto logistico per l'iniziativa di esplorazione spaziale della NASA, è possibile utilizzare il sistema commerciale esistente.
Infine, il nascente interesse per lo sviluppo di stazioni spaziali commerciali non governative deve prendere in considerazione i problemi di rifornimento. Tali considerazioni saranno senz'altro sottoposte ad un'analisi make / buy. I sistemi esistenti che hanno ammortizzato i costi di sviluppo attraverso più programmi governativi e non governativi dovrebbero favorire una decisione di "acquisto" da parte degli operatori delle stazioni spaziali commerciali. Con la nascita di questi mercati, le società commerciali saranno in grado di fornire servizi logistici a una frazione del costo dei sistemi sviluppati dal governo. Le risultanti economie di scala andranno a vantaggio di entrambi i mercati. Questa conclusione è stata raggiunta da uno studio Price-Waterhouse noleggiato dalla NASA nel 1991. Lo studio ha concluso che il valore del servizio di modulo commerciale basato su asset di volo di SPACEHAB con un valore attuale netto stimato di $ 160 milioni sarebbe costato al governo degli Stati Uniti oltre $ 1 miliardo per sviluppare e gestire utilizzando il costo standard più contratti. Le operazioni commerciali e gli sviluppi di SPACEHAB (come l'Integrated Cargo Carrier) dal 1991 rappresentano ulteriori risparmi sui costi rispetto ai sistemi di proprietà e gestiti dal governo.
Le società commerciali hanno maggiori probabilità di investire in modo efficiente capitale privato in miglioramenti del servizio, disponibilità continua garantita e capacità di servizio potenziata. Questa tendenza, comune nelle applicazioni non aerospaziali, è stata dimostrata da SPACEHAB nel mercato dei sistemi spaziali commerciali attraverso continui miglioramenti dei moduli e l'introduzione di nuovi vettori logistici.
Le carenze nella capacità di trasporto merci della ISS, le opportunità emergenti e l'esperienza acquisita dalle operazioni di terra e di volo esistenti di SPACEHAB hanno incoraggiato lo sviluppo del servizio di carico utile commerciale (CPS). Essendo un sistema sviluppato commercialmente, SPACEHAB riconosce che per ottimizzare la propria capacità e convenienza è necessario adottare determinati approcci nello sviluppo del sistema e nelle operazioni.
Il primo approccio impone requisiti moderati al sistema. L'introduzione di funzionalità fondamentali sul front-end e la ricerca di funzionalità avanzate in seguito riduce i costi di lancio e abbrevia i tempi di sviluppo.
Il secondo è l'utilizzo della tecnologia e delle capacità esistenti, ove appropriato. Una caratteristica tipica dei programmi della NASA è la continua portata di tecnologie di recente sviluppo. Sebbene attraente dal punto di vista del progresso tecnico, questa ricerca è costosa e spesso non riesce a creare capacità operative. Un modulo cargo sviluppato commercialmente massimizzerà l'uso delle tecnologie esistenti (quando possibile in commercio) e cercherà progressi tecnici solo laddove i requisiti di sistema o le condizioni di mercato determinano la necessità di tali progressi. Inoltre, i costi associati allo sviluppo di veicoli spaziali non sono limitati a quelli associati ai sistemi dei veicoli. Devono essere considerati anche i costi significativi associati all'infrastruttura. Le strutture logistiche e di elaborazione dei veicoli esistenti di SPACEHAB insieme alla gamma di lancio orientale e alle strutture di lancio in mare consentono di evitare significativi costi di sviluppo del sistema.
Infine, SPACEHAB ha realizzato riduzioni di costi e orari impiegando processi commerciali invece di processi governativi. Di conseguenza, il modello di integrazione della missione di SPACEHAB per un vettore basato su Shuttle è di 14 mesi, rispetto ai 22 mesi per un simile modulo di logistica multiuso basato su Shuttle (MPLM).

Capacità di trasferimento su rack

Baker ed Eichstadt hanno anche scritto, nel 2005:

La ISS utilizza l' International Standard Payload Rack (ISPR) come principale struttura di carico utile e sistemazione degli esperimenti in tutti i moduli gestiti negli Stati Uniti. Il trasferimento di ISPR dentro e fuori la ISS richiede il passaggio attraverso il portello che si trova solo nei punti di attracco del Common Berthing Mechanism (CBM). Il diametro del CBM combinato con le proporzioni ISPR in genere spinge i diametri dei veicoli da carico a dimensioni accettate solo da carenature di carico utile di 5 m lanciate su Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV).

Rientro recuperabile - carichi utili pressurizzati

Baker ed Eichstadt hanno anche scritto, nel 2005:

Il veicolo Russian Progress è servito da tempo come veicolo da carico che, dopo essere partito da una stazione spaziale, rientra distruttivamente nell'atmosfera distruggendo tutto il "carico" a bordo. Questo approccio funziona in modo molto efficace per rimuovere la massa indesiderata da una stazione spaziale. Tuttavia, la NASA ha indicato che il ritorno dei carichi utili dalla ISS è altamente desiderabile [5]. Pertanto, un sistema commerciale deve esaminare le implicazioni dell'inclusione di una capacità di restituzione del carico utile pressurizzato nella progettazione iniziale o come caratteristica avanzata del servizio da introdurre in futuro. Fornire tale capacità richiede l'incorporazione di sottosistemi di protezione termica, sottosistemi mirati al deorbit, sottosistemi di recupero all'atterraggio, infrastrutture di ripristino a terra e licenza FAA. Il recupero di carichi utili non pressurizzati presenta sfide uniche associate alla natura esposta dei vettori non pressurizzati. L'implementazione di un sistema di rientro recuperabile per carichi utili non pressurizzati richiede lo sviluppo di un sistema di incapsulamento. Le attività di incapsulamento devono avvenire autonomamente prima del rientro o come parte delle operazioni associate al carico del vettore merci non pressurizzato con carico di ritorno. In entrambi i casi, i costi aggiuntivi associati ai sistemi dei veicoli spaziali o ai maggiori requisiti operativi saranno superiori al semplice caricamento e alla partenza di un vettore pressurizzato per un rientro distruttivo.

Capacità manifest mista

Baker ed Eichstadt hanno anche scritto, nel 2005:

In genere, evitare soluzioni puntuali fornisce flessibilità a un dato sistema per fornire capacità variabili. Progettare un vettore merci che mescoli sistemi pressurizzati e non pressurizzati può portare a un aumento dei costi se tutte le sistemazioni di carico associate devono essere volate su ogni volo. Per evitare costi inutili associati alla progettazione e alla struttura di volo che ospita capacità relative fisse di tutti i tipi di carichi utili, per CPS viene adottato un approccio modulare. I requisiti previsti per il trasporto di merci per la ISS dopo il ritiro dello Shuttle indicano che le missioni pressurizzate e non pressurizzate dedicate possono supportare i requisiti di up-mass della ISS. L'utilizzo di caratteristiche di base comuni (es. Modulo di servizio, sistema di aggancio, ecc.) E la modularizzazione degli elementi portanti pressurizzati e non pressurizzati del veicolo spaziale assicurano flessibilità evitando soluzioni puntuali.

Trasferimento propellente

Baker ed Eichstadt hanno anche scritto, nel 2005:

Il segmento russo della ISS (RSOS) ha la capacità, tramite la sonda e i meccanismi di aggancio del cono, di supportare il trasferimento del propellente. L'incorporazione della capacità di trasferimento del propellente introduce questioni internazionali che richiedono il coordinamento di più organizzazioni aziendali e governative. Poiché i requisiti per i propellenti ISS sono adeguatamente forniti dal Russian Progress e dall'ESA ATV, i costi associati all'incorporazione di queste caratteristiche possono essere evitati. Tuttavia, la natura modulare del CPS, unita alla capacità intrinseca di sottosistemi selezionati, consente alternative economiche al trasferimento del propellente qualora le esigenze della ISS lo richiedano.
I costi indiretti considerati nello sviluppo dell'architettura CPS includono i requisiti di licenza associati ai regolamenti internazionali sul traffico di armi (ITAR) e ai requisiti per il lancio commerciale e le licenze di ingresso della Federal Aviation Administration (FAA). La licenza ITAR guida un'attenta selezione dei fornitori di sottosistemi per veicoli. Qualsiasi utilizzo o produzione di sottosistemi di veicoli spaziali da parte di entità non statunitensi può essere implementato solo una volta che le appropriate approvazioni del Dipartimento di Stato e / o del Commercio sono in atto. I requisiti di licenza FAA richiedono un'attenta selezione dei siti di lancio e di atterraggio. I veicoli sviluppati da una società organizzata statunitense, anche se lanciati in un altro paese, richiedono la revisione del sistema del veicolo, delle operazioni e del programma di sicurezza da parte della FAA per garantire che i rischi per persone e proprietà siano entro limiti accettabili

Downmass

Mentre l'attenzione significativa della logistica spaziale è sull'upmass , o la massa del carico utile trasportato in orbita dalla Terra, anche le operazioni della stazione spaziale hanno requisiti di downmass significativi. Il ritorno del carico dall'orbita terrestre bassa alla Terra è noto come trasporto di massa inferiore , la massa del carico utile logistico totale che viene restituito dallo spazio alla superficie della Terra per un successivo utilizzo o analisi. La logistica downmass è aspetti importanti del lavoro di ricerca e produzione che si svolge nelle strutture spaziali orbitali. Negli anni '20, il termine ha iniziato ad essere utilizzato anche nel contesto del movimento di massa da e verso altri corpi planetari . Ad esempio, "la capacità di upmass e downmass [del lander lunare SpaceX Starship HLS ] ha superato di gran lunga i requisiti della NASA"

Per la Stazione Spaziale Internazionale , ci sono stati periodi di tempo in cui la capacità di downmass era gravemente limitata. Ad esempio, per circa dieci mesi dal momento del ritiro dello Space Shuttle in seguito alla missione STS-135 nel luglio 2011 - e la conseguente perdita della capacità dello Space Shuttle di restituire la massa del carico utile - una preoccupazione crescente divenne il ritorno del carico di massa dal basso -Orbita dalla Terra alla Terra per un uso o un'analisi successiva. Durante questo periodo di tempo, dei quattro veicoli spaziali in grado di raggiungere e consegnare merci alla Stazione Spaziale Internazionale, solo il veicolo russo Soyuz potrebbe riportare sulla Terra anche un carico utile molto piccolo. La capacità di downmass del carico della Soyuz era limitata poiché l'intera capsula spaziale era riempita al massimo con i tre membri dell'equipaggio della ISS che tornavano ad ogni ritorno della Soyuz. Al momento nessuno dei veicoli di rifornimento del carico rimanenti - l' Agenzia spaziale russa Progress , l' ATV dell'Agenzia spaziale europea (ESA) , l' Agenzia giapponese per l'esplorazione aerospaziale (JAXA) HTV - poteva restituire qualsiasi carico di massa ridotta per uso terrestre o esame.

Dopo il 2012, con il successo dell'ormeggio dello SpaceX Dragon contrattato commercialmente durante la missione Dragon C2 + nel maggio 2012 e l' inizio dei voli cargo operativi nell'ottobre 2012, la capacità di downmass dalla ISS è ora di 3.000 chilogrammi (6.600 libbre) per volo Dragon, un servizio fornito regolarmente dalla capsula cargo Dragon. Una capsula di ritorno testata nel 2018 chiamata HTV Small Re-entry Capsule (HSRC) potrebbe essere utilizzata in futuri voli HTV. L'HSRC ha una capacità di downmass massima di 20 chilogrammi (44 libbre).

Guarda anche

Riferimenti

  • Rodolfo Monti, ed. (2005). "Infinite possibilità Global Realities: Selected Proceedings of the 55th International Astronautical Federation Congress, Vancouver, Canada, 4–8 October 2004". Acta Astronautica . Pergamo . 57 .
  • Evans, Andy (gennaio-marzo 2005). "Space Logistics: The Ultimate Logistics Enterprise Challenge" . Spettro logistico . Società internazionale di logistica . Estratto 8 mese di agosto 2011 . Manutenzione CS1: parametro sconsigliato ( collegamento )

link esterno