L ' e l e t t r o n i c a n e l l a t e c n i c a a e r o s p a z i a l e (*) F . S A L Z A R i c e v u t o il 19 F e b b r a i o 1963 R I A S S U N T O . — L ' e l e t t r o n i c a reca u n c o n t r i b u t o essenziale alla t e c n i c a a e r o s p a z i a l e in ogni fase di qualsiasi sua realizzazione. I n f a s e di p r o g e t t o è f o n d a m e n t a l e l'impiego del calcolo analogico o digitale, di quello analogico-digitale e delle tecniche di simulazione. Nel volo spaziale la g u i d a e la stabilizzazione si b a s a n o sull'uso di sistemi e l e t t r o n i c i che sono a n c h e i m p i e g a t i l a r g a m e n t e nella essenziale fase di p r e p a r a z i o n e al volo. Così p u r e le c o m u n i c a z i o n i coi passeggeri e le telemisure sono possibili s o l t a n t o grazie all'impiego delle t e c n i c h e p i ù a v a n z a t e delle telecomuni- cazioni. Si e s a m i n a infine la situazione a t t u a l e per ciò che si riferisce al g r a d o di a f f i d a m e n t o delle a p p a r e c c h i a t u r e e l e t t r o n i c h e in conseguenza della loro c r e s c e n t e c o m p l e s s i t à : l'impiego di e l e m e n t i allo s t a t o solido e di a d e g u a t e tecniche circuitali c o n s e n t e di conservarlo ad un valore a c c e t t a b i l e n o n o s t a n t e la c r e s c e n t e complicazione degli a p p a r a t i in conseguenza delle s e m p r e più g r a v i esigenze. S U M M A R Y . Tlie role of E l e c t r o n i c s i n each phase of ali s p a c e p r o j e c t s is essential. In t h e design p h a s e a n a l o g u e , digitai, digital-analogue electronic com- p u t a t i o n a n d s i m u l a t i o n t e c l i n i q u e s are lieavily relied u p o n . D u r i n g space flight g u i d a n c e a n d s t a b i l i z a t i o n are a c h i e v e d w i t h elec- t r o n i c s a n d likewise electronics are widely used in ali pre-flight p h a s e s . Space c o m m u n i c a t i o n in m a n n e d a n d u n m a n n e d flight a n d t e l e m e t e r - ing m u s t use t h e most sopliisticated c o m m u n i c a t i o n s t e c h n i q u e s . E l e c t r o n i c e q u i p m e n t is b e c o m i n g increasingly complicateci: its relia- bility is briefly discusseci. Solid s t a t e electronics a n d a d v a n c e d c i r c u i t design seem t o give s a t i s f a c t o r y reliability even w i t h t h e i n c r e a s e d d e m a n d s p l a c e d u p o n electronic e q u i p m e n t . (*) N o t a p r e s e n t a t a al 2° Congresso I n t e r n a z i o n a l e Tecnico Scientifico dello Spazio. R o m a , 19-23 Giugno 1962. 4 8 8 I ' . S A L Z A Lo sviluppo della tecnica aerospaziale è s t r e t t a m e n t e legato ad un largo impiego della tecnica elettronica. Credo che questa affermazione di carattere generale possa essere a c c e t t a t a senz'altro: le realizzazioni già a t t u a t e e, certamente, anche quelle a cui oggi si tende, non solo non avrebbero p o t u t o essere concepite e raggiunte, ma nemmeno essere veri- ficate, senza l'ausilio della tecnica elettronica e, in particolare, della applicazione a cui si pensa i m m e d i a t a m e n t e ogni volta che si nomina l'elettronica: la tecnica delle radiocomunicazioni, che ha ormai raggiunto attraverso alla teoria dell'informazione u n i n q u a d r a m e n t o preciso per ciò che si riferisce alla definizione della capacità limite di trasmissione. P e r illustrare il contributo dell'elettronica alla tecnica aerospaziale pensiamo di seguire la genesi di un veicolo spaziale, dalla fase di con- cezione attraverso l'intero sviluppo e fino all'impiego, soffermandoci in ciascuna fase per esaminare le possibilità di utilizzazione e le contribu- zioni effettive della tecnica elettronica. Vedremo così che le une e le altre sono assai numerose e che spesso l'elettronica fornisce l'unica soluzione possibile a molti dei problemi che si presentano nel corso del progetto e della realizzazione. Cominciamo dalla fase iniziale di concezione; la definizione del- l'obbiettivo da raggiungere nasce c e r t a m e n t e da u n a individuazione di possibilità al di là dello stato presente della tecnica e, se vogliamo vera- mente dare u n nome alla causa p r i m a dell'impostazione di ogni nuovo progetto, non può essercene che u n o : lo sforzo creativo ed immagina- tivo che è all'origine di ogni nostro progresso, di ogni nostra conquista. Ma, immediatamente, l'idea iniziale deve essere sottoposta all'in- dagine scientifica e si può dire che, a cominciare dalla fase di analisi preliminare sulla possibilità di attuazione (feasibility) fino alla defini- zione funzionale completa, in ogni progetto aerospaziale il contributo dell'elettronica, attraverso i procedimenti di calcoli e di simulazione, è estremamente esteso. I calcolatori analogici e numerici rappresentano lo s t r u m e n t o di lavoro più i m p o r t a n t e e più largamente usato in questo settore: converrà quindi soffermarsi brevemente sulle possibilità e sugli orientamenti odierni. Sia il calcolo analogo che quello numerico, come è noto, devono le loro odierne estese possibilità all'impiego dell'elettronica. Fino a poco tempo f a si è parlato, in generale, di campi diversi di applicazione per i calcolatori dei due tipi. P e r i calcolatori analogici: calcolo con approssimazioni ridotte, ma con facile variabilità dei p a r a m e t r i di base del sistema. Contemporanea- L ' E L E T T R O N I C A N E L L A T E C N I C A A E R O S P A Z I A L E niente difficoltà di impostazione per problemi con coefficienti variabili e nella realizzazione di operatori non lineari; infine una certa possibilità di soluzione in tempo reale, generalmente t a n t o più limitata quanto più nel problema compaiono, appunto, operatori non lineari. P e r i calcolatori numerici, invece, si parla generalmente della pos- sibilità di precisioni assai più elevate, ma con maggiori difficoltà di varia- zione dei p a r a m e t r i nei problemi di ottimizzazione; difficoltà ancora maggiore di operare in tempo reale. L'evoluzione dei calcolatori dei due tipi ha p o r t a t o oggi sempre più, nella tecnica aerospaziale, al loro impiego promiscuo in complessi analogico-numerici: questa soluzione è s t a t a resa possibile s o p r a t t u t t o dai sistemi rapidi per effettuare nei due sensi la conversione analogieo- numerica, dall'accorciamento dei tempi di accesso delle memorie e di esecuzione delle operazioni nella p a r t e numerica. Certamente, t r a i numerosi f a t t o r i che hanno condotto ai più recenti progressi nei campo dei calcolatori, il maggior contributo singolo è quello dovuto all'impiego di circuiti elettronici allo stato solido, sia per la maggior facilità di ottenere tempi brevi di commutazione che per la possibilità di a u m e n t a r e il numero di elementi di calcolo ed ausiliari senza raggiungere configurazioni proibitive sia come ingombro che come potenza dissipata. Infine l'elettronica dello stato solido ha permesso di raggiungere gradi di affidamento accettabili anche in apparecchiature con numero assai elevato di componenti, riducendo drasticamente i tempi di indisponibilità dei calcolatori. Questo breve esame dell'uso del calcolo elettronico nella fase di progetto, per accertare la realizzabilità del sistema, stabilirne la configu- razione ed ottimizzarlo, non sarebbe completo senza un cenno alle pos- sibilità offerte dalla tecnica di simulazione, intesa come sostituzione parziale, nel modello del sistema impostato sul calcolatore (analogico, numerico o misto) di componenti effettivi, già disponibili, del sistema in esame, collegati al modello da opportuni organi di trasduzione. L ' a u m e n t o della velocità nel calcolo elettronico accresce la pos- sibilità di impiego dei calcolatori in tempo reale e ciò risulta particolar- mente interessante, nel settore aerospaziale, sia per consentire l'impiego della simulazione nella fase di progetto di cui ci stiamo occupando sia, come vedremo in seguito, per a t t u a r e la guida in fase effettiva di impiego. Continuando il nostro esame converrà ora accennare all'impiego vastissimo di strumentazioni elettroniche per la realizzazione pratica e la messa a p u n t o degli elementi di sistema. —Ut ..I.*—- H I —Il ; nw- • _ i 4 9 0 F. SALZA Ricordiamo che, accanto all'impiego vastissimo dell'elettronica nel- le tecniche delle misure e della registrazione, compare oggi quello, più propriamente tecnologico, di macchine operatrici a controllo elettronico per l'esecuzione di processi di fabbricazione, per esempio per la realiz- zazione di p a r t i con configurazioni complesse, esprimibili in f o r m a ana- litica o almeno approssimabili con u n a espressione analitica. Passando ora alla fase di impiego del sistema ritroviamo ancora molteplici utilizzazioni delle apparecchiature elettroniche. Parlando dell'impiego dei veicoli aerospaziali non si può, p r i m a di t u t t o , non esaminare quel complesso di operazioni di verifica che pre- cedono l'impiego effettivo. Molte delle apparecchiature del veicolo e degli eventuali elementi di appoggio a t e r r a sono di tipo elettronico. Inoltre, non fosse che per il numero spesso estremamente elevato di fun- zioni da analizzare, è spesso necessario ricorrere a schemi logici di verifica, impostati su calcolatori elettronici, per effettuare con sicurezza e senza errori l'intera sequenza delle operazioni di controllo cui è necessario sottoporre il sistema. Esaminando, successivamente, l'impiego effettivo del veicolo aero- spaziale, osserviamo che all'elettronica sono sempre affidate le funzioni di stabilizzazione e di guida. Circa la stabilizzazione è ben noto che, s o p r a t t u t t o nelle fasi in cui si utilizza un controllo aerodinamico, è r a r a m e n t e possibile conferire a un veicolo di prestazioni elevate u n a configurazione aerodinamica che soddisfi t u t t e le esigenze di stabilità: in questo caso l'elettronica offre il suo ausilio efficace consentendo di modificare nel senso desiderato le proprietà aerodinamiche intrinseche del veicolo attraverso u n a ap- propriata azione delle superfici di controllo. Problemi analoghi trovano la loro soluzione a t t r a v e r s o l'elettronica nel caso della stabilizzazione a t t o r n o al baricentro dei veicoli spaziali, sia in fase propulsa che in fase orbitale o di volo nello spazio libero. La guida del veicolo (moto del suo baricentro) può, in generale, essere a t t u a t a con sistemi inerziali, a p r o g r a m m a oppure a comando da t e r r a . I n ogni caso l'intervento di apparecchiature elettroniche è essen- ziale. Senza l'elettronica non potrebbero realizzarsi p i a t t a f o r m e iner- ziali, senza di essa non si potrebbe misurare, nello spazio, la posizione del veicolo e valutare l ' e n t i t à dei comandi da impartire per avere la traiettoria desiderata. A questo proposito è i m p o r t a n t e notare quanto sia utile potere effettuare, sul calcolatore di guida, i calcoli in tempo reale, sia per assi- L ' E L E T T R O N I C A N E L L A T E C N I C A A E R O S P A Z I A L E curare la traiettoria prevista col minimo di provvedimenti correttivi, sia per accertare al più presto, in caso di inconvenienti di funzionamento, il manifestarsi di una situazione pericolosa. È pressoché superfluo ricordare che nella funzione di guida si in- tende anche compreso, generalmente, t u t t o un complesso di operazioni ausiliarie: accensione dei vari stadi, loro distacco, etc. in funzione di tempi prestabiliti o del raggiungimento di determinate condizioni cine- matiche e che, anche per queste operazioni, siano esse p r o g r a m m a t e a priori o comandate in funzione dello svolgimento del lancio, il contributo dell'elettronica è essenziale. Questa esposizione non si occupa del problema delle comunicazioni con veicoli spaziali; t u t t a v i a faremo qualche considerazione specifica sulle apparecchiature elettroniche usate per tale scopo. Considerando sia le prestazioni proprie del veicolo che la sua even- tuale utilizzazione a scopi di ricerche deve in ogni caso essere risolto un problema di telemisura. Ecco u n a tecnica la cui nascita e il cui sviluppo sono essenzialmente legati all'elettronica: sia dal p u n t o di vista della q u a n t i t à di informazione da t r a s m e t t e r e , sia per ciò che riguarda sempli- cemente l'esigenza di ottenere questo complesso di dati su un canale di trasmissione radio, ci si trova di f r o n t e a problemi che sono nati, si può dire, con la tecnica aerospaziale e che, risolti per merito dell'elet- tronica, sulla tecnica aerospaziale h a n n o trovato le loro prime appli- cazioni, anche se l'efficienza delle realizzazioni ha poi suggerito l'e- stensione del loro impiego in altri campi. I dati trasmessi possono essere semplici rilevamenti di posizione, oppure si può avere u n a trasmissione automatica di d a t i di ogni genere, in tempo reale o differito, per acquisizione di informazioni sul compor- t a m e n t o dei veicolo e sull'ambiente in cui esso si trova, oppure ancora la trasmissione è destinata alla utilizzazione specifica del veicolo (ap- poggio di telecomunicazioni, assistenza alla navigazione) ed alla comu- nicazione con passeggeri del veicolo stesso. I n ogni caso t u t t o ciò ò possibile unicamente per i progressi com- piuti dall'elettronica, s o p r a t t u t t o nell'ultimo ventennio. A questo proposito può essere interessante osservare che la realiz- zazione delle molteplici funzioni che abbiamo brevemente elencato è essenzialmente legata a 1111 particolare aspetto della evoluzione del- l'elettronica: la possibilità di realizzare con sufficiente grado di affida- mento delle apparecchiature destinate a funzioni complesse. Benché sia difficile esprimere sinteticamente l'evoluzione dell'elet- tronica, t u t t o r a in a t t o , essa può forse essere indicata con un esempio F . S A L Z A di carattere generale: dal 1920 ad oggi il numero dei componenti di un radiotrasmettitore è a u m e n t a t o , in media, secondo 1111 f a t t o r e di circa 10 per decennio. Si t r a t t a , ovviamente, di u n a valutazione e s t r e m a m e n t e sommaria: si può t u t t a v i a osservare che forse essa è ancora in difetto, in quanto l'elettronica è sempre più orientata verso apparecchiature a funzioni qualitativamente limitate, anche se q u a n t i t a t i v a m e n t e più estese. Questo sviluppo, con applicazioni che u n a volta sarebbero parse impossibili, dà luogo ad altri gravi problemi. T r a questi i più i m p o r t a n t i sono, certamente, da un lato la necessità di conservare e possibilmente migliorare il grado di affidamento delle apparecchiature e, dall'altro, la necessità di contenere il volume degli a p p a r a t i ed il loro fabbisogno di alimentazione elettrica entro limiti ragionevoli, p u r in presenza del numero crescente dei componenti. P e r ciò che si riferisce al volume degli a p p a r a t i ed al fabbisogno di alimentazione crediamo di poter dire che le prospettive appaiono oggi favorevoli; sia per le nuove tecniche di microminiaturizzazione dei com- ponenti; sia per le possibilità di alimentazione con energia immagaz- zinata o convertita da energia esterna. Anche per il grado di affidamento la risposta è rassicurante: nono- stante il continuo a u m e n t o del numero di componenti delle apparecchia- t u r e elettroniche l'incidenza delle avarie (espressa, per esempio, col numero probabile di ore di funzionamento t r a due avarie successive, per u n dato tipo di apparecchiature e in d e t e r m i n a t e condizioni di impiego) è rimasta finora pressoché i m m u t a t a . È difficile affermare senz'altro che questa situazione potrà essere m a n t e n u t a 0 migliorata in f u t u r o , con il continuo a u m e n t o della complessità degli apparati, che può essere dato per scon- t a t o . T u t t a v i a le tecniche specifiche (lei componenti (e principalmente le tecniche dell'elettronica allo stato solido), la tecnica di miglioramento delle condizioni ambientali, le tecniche di controllo funzionale rapido, in condizioni eventualmente più critiche di quelle di impiego effettivo, ed infine quelle dei circuiti di tipo fail-safe hanno certamente contribuito e continueranno in larga misura a contribuire alla possibilità, per l'elet- tronica, di fornire il suo indispensabile contributo al progresso della tecnica aerospaziale.