Lo spazioplano "Intermediate eXperimental Vehicle (IXV)": un programma dell'Agenzia Spaziale Europea

L'Intermediate eXperimental Vehicle (IXV) è un programma dell'Agenzia Spaziale Europea finalizzato alla costruzione di un veicolo spaziale sperimentale in grado di compiere un rientro atmosferico controllato da orbita terrestre bassa (circa 300 km). 

Il veicolo ha effettuato il primo test di volo senza equipaggio nel febbraio 2015, superando i test principali di manovra di rientro in atmosfera e protezione termica.

Storia del progetto

IXV è un progetto ESA che mira a convalidare le tecnologie di rientro atmosferico nell'ambito del programma FLPP. Questo programma di ricerca tecnologica si concentra sullo sviluppo di tecnologie per i futuri lanciatori europei. Il PPBM è all'origine del dimostratore rientro atmosferico atmosferica Rientro Demonstrator (ARD) lanciato nel 1998. L'IXV, attrezzato come un laboratorio volante ha assolto il rientro controllato aerodinamicamente in cui sono stati memorizzati elettronicamente diversi dati.

Gli obiettivi dell'IXV sono stati quelli di sviluppare strumenti e processi implementati durante un rientro atmosferico:

• strumentazione aerodinamica e aerotermodinamica;
• protezioni termiche e strutture calde; l'IXV è dotato di una vasta gamma di sistemi di protezione termica (materiali, concetti) come compositi ceramici e materiali ablativi per misurare le loro prestazioni in condizioni di volo reali;
• controllo di volo ipersonico: guida, navigazione e controllo, motori di controllo di assetto e superfici di controllo aerodinamico; l'IXV è il primo veicolo spaziale europeo controllato da una combinazione di flap e propulsori implementati utilizzando algoritmi di guida avanzati basati su dati inerziali e ricevitori GPS;
• modellizzazione dei fenomeni aerodinamici e termici che si verificano durante il rientro atmosferico il cui controllo ridurrebbe i margini di sicurezza incorporati nel progetto di questo tipo di veicolo.

Lo sviluppo dell’IXV prende le mosse da precedenti studi, come quello della CNES (l'agenzia spaziale francese) chiamato Pre-X e lo stesso dell'ESA chiamato AREV (Atmospheric Reentry Experimental Vehicle). Le prime fasi dello sviluppo del veicolo sono state gestite dalla compagnia NGL Prime SpA, una joint venture di EADS SPACE (70%) e Finmeccanica (30%). La fase C (finalizzazione del design) è stata assegnate a Thales Alenia Space, nella sua sede di Torino.

Caratteristiche tecniche

L'IXV è un corpo portante senza ali ma con due Flap fissati nell'estensione della fusoliera per controllarne il volo durante il rientro atmosferico. Il rientro è condotto mantenendo il muso alto, esattamente come per lo Space Shuttle, mentre la fase finale della discesa è compiuta con una catena di paracadute espulsi dalla parte alta del veicolo. Il veicolo spaziale è lungo 5 m, alto 1,5 m e largo 2,2 m con una massa di 2 ton. Per controllare il profilo di volo, l'IXV utilizza i suoi due flap e quattro motori a razzo da 400 N di spinta posizionati nella parte posteriore del corpo di trasporto. Questi propulsori sono già stati implementati ai piani superiori del lanciatore Ariane 5 e sono a propellente liquido (idrazina). Per soddisfare il suo scopo di dimostratore tecnologico, l'IXV è equipaggiato con quasi 250 sensori posizionati in diversi punti della superficie dello scafo: 37 sensori di pressione, 194 sensori di temperatura, 12 sensori di spostamento e 48 sensori che misurano le forze subite dalla carlinga o altri dati come la telecamera a infrarossi posizionata sul retro. Questi sensori sono suddivisi in due sottoinsiemi: quelli utilizzati per analizzare l'aerodinamica del veicolo e quelli interessati a sforzi termici.

Il test di volo

Il lancio, che è avvenuto utilizzando il nuovo lanciatore leggero europeo Vega, era stato inizialmente previsto entro il 2013 per essere poi stato eseguito con successo l'11 febbraio del 2015. È partito da Korou alle 13:40, a 320 km di altezza la navicella si è staccata dal lanciatore e ha volato fino a 450 km ad una velocità di circa 7,5 km/s e ha iniziato a scendere verso l'Oceano Pacifico ad un'altezza di 120 km. Tutto il volo è durato 1 ora e 39 minuti, durante il quale sono stati raccolti numerosi dati sul volo e discesa.

Progetti connessi

In concomitanza, l'Agenzia Spaziale Europea sta portando avanti: 

• il progetto PRIDE, che prevede la costruzione di uno spazioplano sperimentale;
• l'ISV, che adotterà molte delle scelte tecniche usate nell'IXV e basato sui risultati ottenuti dal suo volo sperimentale;
• il Centro italiano ricerche aerospaziali e Thales Alenia Space stanno sviluppando il progetto Space Rider, un velivolo spaziale riutilizzabile, evoluzione dell'IXV, in grado di effettuare un rientro atmosferico a Terra.

Il volo dello spazioplano europeo IXV

L’Agenzia Spaziale Europea ESA ha testato il dimostratore di rientro atmosferico IXV (Intermediate Experimental Vehicle) che, dopo una parabola suborbitale di 101 minuti, è ammarato con successo nell’oceano Pacifico.

La missione era iniziata alle 14.40 italiane con il decollo, a bordo di un vettore Vega, dallo spazioporto di Kourou nella Guiana francese. Raggiunta la quota di 340 km l’IXV si è separato dall’ultimo stadio del lanciatore continuando in volo libero fino ad un’altezza di 412 km, dopodiché ha cominciato la fase di rientro in atmosfera. Lo spazioplano ha controllato il suo assetto grazie a due particolari alettoni posteriori, planando e rallentando man mano che attraversava gli strati sempre più densi dell’atmosfera. A 26 km di quota è iniziata la sequenza di frenata tramite paracadute fino all’ammaraggio nell’oceano, dove l’IXV è stato recuperato dal rimorchiatore d’altura Nos Aries del gruppo livornese Neri. La fase di rientro era proprio l’oggetto principale di questo test, infatti oltre 300 sensori hanno registrato una gran mole di dati che vengono subito dopo analizzati. “È un grande giorno per lo Spazio europeo e un grande giorno per l’Italia”, così si è espresso a Kourou il presidente dell’Agenzia Spaziale Italiana dopo lo splashdown.
 L’ASI e l’industria nazionale hanno avuto un ruolo di primaria importanza in quanto il programma IXV è guidato dall’italiano Giorgio Tumino, lo spazioplano è stato costruito a Torino presso la Thales Alenia Space,  anche il controllo missione è a Torino, presso l’ALTEC (Advanced Logistics Technology Engineering Center), e lo stesso si può dire del vettore VEGA nella cui realizzazione l’Italia è il maggior contribuente con il 65%.

I dati ottenuti sono indispensabili per la realizzazione del programma PRIDE (Programme for Reusable In-orbit Demonstrator for Europe), che vedrà lo sviluppo di un mini-shuttle (simile all’X-37/B dell’USAF) con capacità di svolgere missioni orbitali ed atterraggio in planata.

Uno sforzo tecnologico quasi tutto made in Italy

Il lancio del veicolo spaziale europeo IXV (Intermediate eXperimental Vehicle) è stato un successo in quanto tutto è filato liscio.

Lo spazioplano, tra i possibili eredi dello Space Shuttle e primo veicolo europeo a essere pensato per il rientro a Terra, è decollato a bordo di un razzo Vega, dalla base europea di Kourou (Guyana Francese), per completare la sua prima missione di volo in orbita bassa 100 minuti dopo, con un ammaraggio nel Pacifico.

I programmi della navicella IXV e del lanciatore VEGA sono stati realizzati dall'Agenzia Spaziale Europea grazie anche al rilevante contributo tecnico e finanziario dell'Agenzia Spaziale Italiana. È "made in Italy" il lanciatore, che è stato progettato e realizzato in Italia da ELV & AVIO, e lo è la navicella sperimentale IXV, anch'essa progettata e realizzata a Torino da un pool di competenze guidate dalla Thales Alenia Space Italia con i contributi del CIRA (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali - sperimentazione, aerotermodinamica, supporto al drop test e alle operazioni di lancio), di Leonardo (Power Distribution Unit, Avionica e software), di AVIO (protezioni termiche ablative), di alcune Università italiane, del CNR/INSEAN e di tante piccole e medie imprese nazionali. Italiano è il centro controllo di ALTEC di Torino che ha gestito e monitorato tutte le operazioni di volo della navicella IXV, ma anche una delle stazioni di Terra che ha seguito il volo, quella di Malindi, gestita dall'Agenzia Spaziale Italiana. La nave NOS ARIES che ha effettuato il recupero è italiana e, non ultimo, è opportuno ricordare il contributo tecnologico fornito dalla Telespazio al segmento di terra con la rete di comunicazione: il tricolore domina in questa missione europea. Si tratta del primo esperimento di rientro controllato sub-orbitale di un veicolo spaziale in atmosfera da parte dell'Europa, fondamentale per poter studiare le caratteristiche di stabilità e di controllo d'assetto del velivolo e quelle aero-termo-dinamiche: qualcosa che per l'Europa costituisce ancora oggi materia di sperimentazione, perché gli altri paesi che hanno sviluppato tecnologie analoghe (URSS e USA in primis a partire dagli anni '60, più di recente anche Cina e India) non condividono, per ovvi motivi di riservatezza, le proprie conoscenze scientifiche e tecnologiche della delicata fase del rientro atmosferico. Il successo di questa missione conferma, inoltre, l'affidabilità e la versatilità del lanciatore VEGA: a differenza dei lanci precedenti, il VEGA ha rilasciato l'IXV ad una quota sub-orbitale a circa 330 Km. Infine, per la prima volta si lanciava verso l'equatore, mentre in passato si è lanciato con traiettorie quasi-polari. È stato necessario verificare alcune rilevazioni di telemetria da terra. Ciò ha comportato la sospensione e poi la ripresa delle operazioni in sicurezza.

Attualmente è in corso una approfondita analisi al CIRA dei dati scientifici registrati da IXV durante la fase di rientro:

• analizzare l'interazione aerotermodinamica nel volo ipersonico tra un veicolo di questa tipologia "lifting body" e il plasma atmosferico, 
• studiare il comportamento dei materiali speciali nella resistenza e nello smaltimento del calore e infine valutare il controllo e la stabilità dell'assetto durante il rientro rappresentano il valore aggiunto della missione.

I dati sperimentali acquisiti con questa missione e la loro analisi sono i tasselli fondamentali per la progettazione e la realizzazione di possibili futuri sistemi di rientro europei come, ad esempio, il programma PRIDE che l'Italia sta portando avanti con il supporto tecnico e scientifico dell'ASI e del CIRA.

Di recente è stata presa la decisione di finanziare il programma PRIDE che prevede lo sviluppo di tecnologie per lo sviluppo di veicoli spaziali automatici di rientro a terra. 

Il CIRA, forte delle rilevanti esperienze tecnologiche e scientifiche maturate nei programmi Unmanned Space Vehicle e IXV, avrà certamente un ruolo di primo piano nei prossimi sviluppi di “spazioplani” europei.

ENGLISH

The Intermediate eXperimental Vehicle (IXV) is a programme of the European Space Agency aimed at building an experimental spacecraft capable of making a controlled atmospheric re-entry from low Earth orbit (about 300 km). The vehicle performed its first unmanned flight test in February 2015, passing the main tests of atmospheric re-entry manoeuvre and thermal protection.

Project history

IXV is an ESA project that aims to validate atmospheric re-entry technologies within the FLPP programme. This technological research programme focuses on the development of technologies for future European launchers. PPBM is at the origin of the Atmospheric Re-entry Demonstrator (ARD) launched in 1998. The IXV, equipped as a flying laboratory, performs re-entry, aerodynamically controlled, in which various data will be stored.

The objectives of the IXV are to develop tools and processes implemented during atmospheric re-entry:

aerodynamic and aerothermodynamic instrumentation;

thermal protection and hot structures; the IXV is equipped with a wide range of thermal protection systems (materials, concepts) such as ceramic composites and ablative materials to measure their performance in real flight conditions;

hypersonic flight control: guidance, navigation and control, attitude control engines and aerodynamic control surfaces; the IXV is the first European spacecraft controlled by a combination of flaps and thrusters implemented using advanced guidance algorithms based on inertial data and GPS receivers;

modelling of aerodynamic and thermal phenomena occurring during atmospheric re-entry whose control would reduce the safety margins incorporated in the design of this type of vehicle.

The development of the IXV is based on previous studies, such as the CNES (the French space agency) called Pre-X and the ESA's Atmospheric Reentry Experimental Vehicle (AREV). The first phases of the vehicle's development were managed by NGL Prime SpA, a joint venture of EADS SPACE (70%) and Finmeccanica (30%). Phase C (finalisation of the design) was assigned to Thales Alenia Space, at its Turin headquarters.

Technical characteristics

The IXV is a wing-less carrier body with two Flaps fixed in the fuselage extension to control flight during atmospheric re-entry. The re-entry is conducted keeping the nose high, just like for the Space Shuttle, while the final phase of the descent is completed with a chain of parachutes ejected from the top of the vehicle. The spacecraft is 5 m long, 1.5 m high and 2.2 m wide with a mass of 2 tons. To control the flight profile, the IXV uses its two flaps and four 400 N thrust rocket motors positioned at the rear of the transport body. These thrusters have already been implemented on the upper floors of the Ariane 5 launcher and are liquid propellant (hydrazine). To satisfy its purpose as a technological demonstrator, the IXV is equipped with almost 250 sensors positioned at different points on the hull surface: 37 pressure sensors, 194 temperature sensors, 12 displacement sensors and 48 sensors that measure the forces suffered by the nacelle or other data such as the infrared camera positioned at the rear. These sensors are divided into two sub-sets: those used to analyse the aerodynamics of the vehicle and those affected by thermal stress.

Test flight

The launch, which took place using the new European light launcher Vega, was initially planned to take place by 2013 and was then successfully completed on 11 February 2015. It departed from Korou at 1:40 pm, at an altitude of 320 km, the spacecraft detached from the launcher and flew up to 450 km at a speed of about 7.5 km/s and began descending towards the Pacific Ocean at an altitude of 120 km. The entire flight lasted 1 hour and 39 minutes, during which a great deal of data was collected on the flight and descent.

Related projects

In parallel, the European Space Agency is pursuing the PRIDE project, which involves the construction of an experimental space plane, the ISV, which will adopt many of the technical choices used in the IXV and based on the results obtained from its experimental flight.

The Italian Aerospace Research Centre and Thales Alenia Space are developing the Space Rider project, a reusable space aircraft, an evolution of the IXV, capable of atmospheric re-entry to Earth.

The flight of the European spaceplane IXV

The European Space Agency ESA has tested the IXV (Intermediate Experimental Vehicle) atmospheric re-entry demonstrator which, after a suborbital parabola of 101 minutes, successfully landed in the Pacific Ocean.

The mission had started at 14.40 Italian time with the take-off, on board a Vega carrier, from Kourou spaceport in French Guiana. Having reached an altitude of 340 km, the IXV separated from the last stage of the launcher, continuing in free flight to an altitude of 412 km, after which it began its re-entry into the atmosphere. The spaceplane controlled its attitude thanks to two special rear ailerons, gliding and slowing down as it crossed the increasingly dense layers of the atmosphere. At an altitude of 26 km, the braking sequence began with a parachute until it landed in the ocean, where the IXV was recovered by the deep-sea tug Nos Aries of the Livorno-based Neri group.

The re-entry phase was the main object of this test, in fact more than 300 sensors recorded a large amount of data that are analyzed immediately afterwards. "It is a great day for the European Space and a great day for Italy", said the President of the Italian Space Agency in Kourou after the splashdown.
The ASI and national industry have played a major role as the IXV programme is led by the Italian Giorgio Tumino, the space plane was built in Turin at Thales Alenia Space, the mission control is also in Turin at ALTEC (Advanced Logistics Technology Engineering Center), and the same can be said of the VEGA vector in whose implementation Italy is the largest contributor with 65%.

The data obtained are indispensable for the implementation of the PRIDE programme (Programme for Reusable In-orbit Demonstrator for Europe), which will see the development of a mini-shuttle (similar to USAF's X-37/B) with the capacity to perform orbital missions and glide landings.

The launch is almost entirely made in Italy

The launch of the European space vehicle IXV (Intermediate eXperimental Vehicle) was a success as everything went smoothly.

The spaceplane, one of the possible heirs of the Space Shuttle and the first European vehicle to be designed to return to Earth, took off aboard a Vega rocket from the European base in Kourou (French Guiana) to complete its first low orbit flight mission 100 minutes later, with a ditching in the Pacific.

The programmes of the IXV spacecraft and the VEGA launcher were carried out by the European Space Agency thanks to the significant technical and financial contribution of the Italian Space Agency. The launcher, which was designed and built in Italy by ELV & AVIO, is "made in Italy", as is the experimental IXV spacecraft, also designed and built in Turin by a pool of expertise led by Thales Alenia Space Italia with contributions from CIRA (Italian Aerospace Research Centre - Experimentation, aerothermodynamics, drop test support and launch operations), SELEX (Power Distribution Unit), Alenia Aermacchi (Avionics and software), AVIO (ablative thermal protection), a number of Italian universities, CNR/INSEAN and many small and medium-sized national companies. Italiano is the control centre of ALTEC in Turin, which managed and monitored all the flight operations of the IXV spacecraft, but also one of the ground stations that followed the flight, that of Malindi, managed by the Italian Space Agency. The NOS ARIES ship that carried out the recovery is Italian and, last but not least, it is worth mentioning the technological contribution made by Telespazio to the ground segment with the communication network: the Italian flag dominates in this European mission. This is the first sub-orbital controlled re-entry experiment of a spacecraft into the atmosphere by Europe, which is fundamental for studying the stability and attitude control characteristics of the aircraft and the aerothermodynamic characteristics: something that is still a subject of experimentation for Europe today, because the other countries that have developed similar technologies (the Soviet Union and the United States first and foremost since the 1960s, and more recently China and India) do not share, for obvious reasons of confidentiality, their own scientific and technological knowledge of the delicate atmospheric re-entry phase. The success of this mission also confirms the reliability and versatility of the VEGA launcher: unlike previous launches, VEGA released the IXV at a sub-orbital altitude of about 330 km. 

Finally, for the first time it launched itself towards the equator, while in the past it launched with quasi-polar trajectories. It was necessary to verify some telemetry measurements from the ground. This led to the suspension and then the resumption of operations in safety.

A demanding phase of analysis is now underway at the CIRA of the scientific data recorded by IXV during the re-entry phase:

Analyse the aerothermodynamic interaction in hypersonic flight between a vehicle of this type "lifting body" and atmospheric plasma, 

studying the behaviour of special materials in resistance and heat dissipation and finally assessing the control and stability of the trim during re-entry represent the added value of the mission.

The experimental data acquired with this mission and their analysis are the fundamental elements for the design and implementation of possible future European re-entry systems such as, for example, the PRIDE programme that Italy is carrying out with the technical and scientific support of ASI and CIRA.

A decision has recently been taken to finance the PRIDE programme, which provides for the development of technologies for the development of automatic ground return space vehicles. 

CIRA, on the strength of the relevant technological and scientific experience gained in the Unmanned Space Vehicle and IXV programmes, will certainly play a leading role in the forthcoming developments of European "space planes”.

(Web, Google, astronautinews, Wikipedia, Focus, You Tube)