In questa nuova puntata di Spazio d’Oriente, la rubrica di Astrospace dedicata al settore spaziale dei paesi orientali, parleremo della nuova capsula di rifornimento che sta sviluppando il Giappone, la HTV-X. Questa capsula servirà per rifornire la ISS, ma in futuro forse anche il Lunar Gateway. Il progetto è ambizioso e presenta molte differenze rispetto alla capsula precedente HTV-II, che ha concluso la sua operatività ad agosto 2020. HTV-X è legata allo sviluppo del nuovo lanciatore medio-pesante giapponese, il vettore H3, che dovrebbe essere lanciato per la prima volta ad inizio 2022. Parleremo anche di questo.
I Contributi giapponesi alla ISS
Il Giappone ha una storia spaziale particolare e di grande successo, segnata da una caratteristica particolare: la collaborazione. Attualmente il Paese del Sol Levante è ad esempio il terzo Stato per numero di astronauti, dopo Russia e USA. Un aspetto importante considerando che il Giappone non dispone di un programma di volo spaziale umano. Fin dai tempi dello Space Shuttle a Tokyo sono stati i primi ad aprire collaborazioni con gli USA per volare sul nuovo mezzo spaziale, tradizione subito consolidata durante la costruzione della ISS.
Il Giappone è infatti uno dei membri fondatori del progetto, assieme a Canada, USA, Russia e i paesi membri dell’ESA. Questa collaborazione ha portato alla costruzione del Japanese Experiment Module (JEM), altrimenti chiamato Kibo (speranza in giapponese). Si tratta attualmente del modulo più grande di tutta la ISS, costruito dall’Agenzia Spaziale Giapponese (JAXA) e lanciato verso la ISS fra il 2008 e il 2009. Il modulo Kibo è particolarmente complesso, e composto di 4 diversi elementi. Un modulo pressurizzato, una piattaforma esterna per esperimenti spaziali (Exposed Facility), un braccio robotico (Remote Manipulator system) e un secondo modulo pressurizzato (Esperiment Logistics Module).
Assieme al modulo Kibo, la collaborazione giapponese alla costruzione e gestione della ISS ha portato alla costruzione della capsula HTV-II. Questa era in grado di trasportare alla ISS 6000 kg di rifornimento, circa la stessa quantità della seconda capsula Dragon cargo, e più del doppio della capsula Progress. La HTV-II è stata particolarmente importante per rifornire la ISS, data la sua capacità di trasportare gli International Standard Payload Rack (ISPR). Questi sono dei contenitori di esperimenti con dimensioni standard, adattati appositamente per essere montati sulla ISS. La capsula giapponese, dopo la dismissione dello Shuttle, era l’unica in grado di portarli in orbita. HTV-II ha volato nove volte, l’ultima nell’agosto del 2020, ma ora è arrivato il momento di aggiornala, con una nuova versione più efficiente e moderna: la HTV-X.
Il nuovo design di HTV-X
La volontà di creare un veicolo successore del cargo HTV-II nasce nel 2015, sotto impulso del MEXT, il ministero giapponese dell’educazione, scienza e tecnologia. L’obbiettivo del ministero era creare un veicolo di rifornimento per la ISS basato su HTV-II che fosse meno costoso e che ampliasse la capacità di carico di esprimenti. Da allora il progetto ha fatto molti passi in avanti e il lancio del primo HTV-X si avvicina, attualmente fissato per il febbraio 2022.
Nel corso di una presentazione illustrata al MEXT nel mese di febbraio 2021, sono emersi molti dettagli riguardanti la capsula ed il lavoro svolto dagli ingegneri. Lavoro che può essere sintetizzato con una parola semplificazione. Uno dei cambiamenti più significativi risulta essere la disposizione degli elementi della capsula che rispetto alla HTV vengono stravolti. Le sezioni in questione in HTV-II erano disposte in questo ordine (come nell’immagine sopra, da sinistra): modulo pressurizzato, piattaforma per i carichi non pressurizzati, modulo di avionica e modulo di propulsione. Con HTV-X il modulo di servizio diventerà la parte centrale, da cui si collegheranno il modulo pressurizzato e la piattaforma.
Semplificazione e ottimizzazione
Questa scelta ha permesso agli ingegneri di risparmiare della massa totale, che si ferma a 16 tonnellate, contro le 16.5 di HTV. Oltre al risparmio di massa ci sarà un netto incremento dello spazio disponibile per i carichi non pressurizzati. Questi ultimi erano infatti posti internamente alla HTV, con un volume minore rispetto all’esposizione esterna della nuova HTV-X che sfrutta tutto il volume offerto dal nuovo fairing di H3, di cui parleremo dopo. Il volume totale di HTV-X per il carico aumenta quindi a 78 m^3 contro i 49 m^3 del precedente veicolo.
Uno dei risultati più importanti ottenuti con HTV-X è quindi il netto incremento della massa trasportabile che in totale ammonta a 5.85 tonnellate: 4.1 t per il carico pressurizzato e 1.75 t per i carichi esterni. L’aumento della capacità lo si osserva soprattutto nella parte pressurizzata che nella capsula precedente era di 3.25 t, con una capacità complessiva di 4.7 t. Una considerazione interessante emersa nel corso della presentazione è che sia il modulo pressurizzato che quello di servizio potrebbero essere utilizzati in maniera indipendente con le giuste modifiche.
Il lavoro sul modulo di servizio
Il modulo di servizio risulta essere la parte più modificata rispetto a HTV. Oltre alla già citata nuova disposizione, una delle novità più evidenti di questa parte sono i panelli solari. Se in HTV i panelli solari erano fissi, con il nuovo design vengono rimpiazzati da due pannelli dispiegabili che formeranno un angolo di 30 gradi rispetto alla capsula.
Il cambiamento apportato dagli ingegneri è mirato per rendere più efficiente la produzione di energia elettrica. In più servirà a supportare eventuali lunghi periodi in orbita. Più precisamente, HTV-X è progettata per restare in orbita fino a 18 mesi dopo sgancio con la ISS per svolgere degli esprimenti dimostrativi, prima bruciare durante il rientro atmosferico.
Meno peso più tecnologia
Con l’aggiornamento delle batterie, che si classificano i due categorie: primarie e secondarie è stata ottenuta un’altra riduzione di peso. Le prime servono solo per il supporto del lancio, quindi durante la missione sono di fatto massa inutilizzata. Nella nuova navicella queste batterie sono ridotte, grazie all’aumento della capacità di quelle secondarie. Tali batterie sono infatti ricaricabili, grazie ai panelli solari. Anche i sistemi di controllo, e in generale tutto il software, sono stati notevolmente semplificati; grazie all’esperienza maturata sulla precedente HTV-II. I tre computer di bordo lavoreranno in sincrono e svolgeranno tutte le funzioni che prima erano affidate allo stesso numero di computer ma in maniera indipendente.
Il team di sviluppo di HTV-X è intervenuto anche nel sistema di propulsione, rendendolo più semplice ed economico. Prima di tutto, i sistemi propulsivi sono stati spostati nel solo modulo di servizio, eliminando quindi i condotti e i motori principali, che in HTV-II erano nel modulo pressurizzato. Questi ultimi non sono stati ricollocati, ma completamente rimpiazzati da motori più piccoli ed economici che permettano anche una più rapida integrazione del veicolo. I serbatoi di HTV-X hanno anche una capacità del 30% maggiore rispetto ad HTV, questo al fine di supportare i lunghi periodi in orbita precedentemente citati.
La conferma del modulo pressurizzato
Se nel modulo di servizio il design è stato pesantemente rivisto, nel modulo pressurizzato le modifiche degne di nota sono molto poche. Questo perché il modulo usato precedentemente, rimane sufficientemente versatile per gli obbiettivi di HTV-X, ma sopratutto per ridurre al minimo i costi di sviluppo e produzione dell’intero veicolo. Da un punto di vista strutturale, il modulo pressurizzato di HTV-X presenta solo due modifiche principali. La prima è l’aggiunta di una porta di servizio laterale per l’accesso nelle ultime ore precedenti al lancio. L’accesso pre lancio può avvenire fino a 24 ore prima della partenza, un tempo decisamente inferiore rispetto alle precedenti 80 ore. Anche il tempo di carico “standard” viene sensibilmente ridotto a 2.5 mesi dai precedenti 4.
La seconda modifica adottata su HTV-X è il nuovo meccanismo di aggancio per il PAF (payload fairing adapter) del vettore H3, ossia quella struttura che aggancia l’ultimo stadio del vettore al carico. Oltre ad aumentare lo spazio e la massa trasportabile, HTV-X introduce diversi improntati novità per il trasporto di esperimenti a bordo della ISS. Per esempio, viene introdotta la capacità di poter alimentare elettricamente degli esperimenti, nel corso del viaggio verso la ISS, viaggio che dura mediamente 120 ore a partire dall’ultimo acceso al modulo pressurizzato. Una capacità fondamentale per esperimenti delicati.
Un’altra caratteristica di HTV-X è la possibilità di trasportare piccoli animali per eventuali esperimenti in orbita. Questo è un aspetto in comune con entrambe le versioni della capsula cargo Dragon.
Il ruolo di H3
Insieme ad HTV-X, il Giappone sta sviluppando H3, un nuovo vettore medio-pesante ed il più potente mai sviluppato dalla nazione del Sol Levante. H3 è stato sviluppato per continuare a garantire l’accesso allo spazio del Giappone in modo economico ed indipendente. Quest’ultima caratteristica si riflette bene anche per il trasporto verso la ISS. In tutti i 9 lanci di HTV-II, la JAXA ha impiegato HII-B, una variante più potente dell’HII-A, esclusivamente creata per HTV e mai commercializzata. Invece con H3 si verrà a creare un vettore in cui HTV-X sarà uno dei tanti carichi e non l’esclusiva.
Tuttavia, come anticipato, anche su H3 sono stati fatti dei lavori specifici per la capsula HTV-X, ossia nel PAF. Questo elemento è stato completamente ridisegnato raggiungendo il diametro di 4.2 m per adattarsi al modulo pressurizzato, che precedentemente si trovava nella parte superiore. Oltre alle dimensioni è stata aggiunta un’apertura per accedere alla porta laterale di HTV-X. Un lavoro simile è avvenuto anche nel fairing, dove un accesso laterale è stato aggiunto. Tale caratteristica è simile a quella vista su HTV, eccetto che per la posizione che nell’HII-B era nella parte superiore.
Spazio D’Oriente viene pubblicato a cadenza mensile per raccontare e spiegare il settore spaziale cinese. Spazio D’Oriente è una rubrica progettata e scritta da Nicolò Bagno.
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