L’esplorazione spaziale non è più una prerogativa delle agenzie spaziali nazionali, ma sta diventando sempre più commercializzata, con aziende statunitensi e internazionali che collaborano a programmi chiave come NASA Artemis, stazioni spaziali commerciali e progressi nel trasporto spaziale (principalmente verso e da LEO). Questa nuova forma di collaborazione pone anche nuove sfide nella creazione di reti dati e avionica:

• Sicurezza e protezione: Gli esseri umani e i carichi preziosi devono essere protetti durante il viaggio, ma anche durante il loro soggiorno nello spazio. Ciò richiede soluzioni affidabili, qualificabili secondo gli standard internazionali per garantire compatibilità e interoperabilità.
• Futuro dei sistemi: Gli “asset orbitali” come il Lunar Gateway, che operano nello spazio per venti o trent’anni, devono essere non solo affidabili, ma anche pronti per un’espansione o modifica, cioè modulari e scalabili. La possibilità di aggiornare i sistemi deve essere garantita fornendo sufficiente larghezza di banda nella rete per aggiungere funzionalità o integrare senza problemi nuovi sistemi.

TTTech Aerospace lavora da oltre 25 anni su soluzioni di rete e piattaforme di calcolo integrate sicure e affidabili, sfruttando la sua esperienza tecnologica trasversale. Questo fornisce la base per un portafoglio di prodotti spaziali in grado di soddisfare le esigenze dei programmi spaziali attuali e futuri, afferma un portavoce dell’azienda.

TTTech è l’innovatore dell’Ethernet Deterministico ed è una forza trainante dietro gli standard Time-Triggered Ethernet SAE AS6802 utilizzati per NASA Artemis e altri programmi spaziali internazionali. Abbiamo lavorato anche sullo standard ingegneristico Time-Triggered Ethernet ECSS-E-ST-50-16C per applicazioni spaziali, il che ci colloca al centro dello sviluppo tecnologico. Le nostre soluzioni si basano su questi standard internazionali, inclusi gli International Avionics System Interoperability Standards (IASIS) e sono quindi pienamente interoperabili e compatibili con una vasta gamma di programmi e applicazioni.

Cosa hanno in comune la navetta NASA Orion, il Lunar Gateway e Ariane 6?

Un sistema affidabile è composto da molti componenti e sottosistemi provenienti da fornitori e sotto-fornitori diversi. Per questo motivo, gli integratori di sistema selezionano reti costruite secondo standard internazionali per garantire interoperabilità e integrazione senza soluzione di continuità all’interno della rete dati.

La navetta spaziale NASA Orion, il Lunar Gateway e il lanciatore europeo Ariane 6 sono tre programmi attivi che uniscono agenzie spaziali e aziende commerciali di diversi paesi, utilizzando reti dati a criticità mista. TTEthernet, una implementazione commerciale dell’Ethernet Deterministico, è la base di queste reti dati. Garantisce la trasmissione in tempo reale di dati critici e non critici all’interno della rete. I vantaggi sono chiari:

• Le reti deterministiche sono costruite per garantire la trasmissione dei dati, il che è particolarmente importante per i dati critici di comando e controllo, aumentando così la sicurezza dell’intero sistema.
• Riduzione della complessità del sistema, semplificazione dell’avionica e del software: Dati di diversi livelli di criticità possono essere trasferiti sulla stessa rete e mezzo fisico (es. cavo). Questo facilita e accelera la creazione di sistemi elettronici compatti, anche quando si integrano requisiti di ridondanza.
• Riduzione dei costi di ciclo di vita: La riduzione della complessità e la semplificazione contribuiscono a ridurre i costi, così come l’integrazione più semplice e la riconfigurazione del sistema e del software durante il ciclo di vita del sistema.
• Scalabilità e modularità: TTEthernet include tre diverse classi di traffico – Ethernet standard (secondo IEEE 802.3), traffico vincolato da rate (secondo ARINC 664 parte 7), e Ethernet Time-Triggered (secondo SAE AS6802 e ECSS-E-ST-16C) con alte velocità di trasferimento dati fino a 1 Gbit/s. Questo consente di trasferire una maggiore quantità di dati complessivi – siano essi dati di comando, controllo, carico utile o video, ma consente anche di aggiungere ulteriori applicazioni o moduli in futuro.

Le reti dati a criticità mista garantiscono una connettività affidabile e sicura e consentono l’espansione futura della rete aggiungendo nuovi moduli, sottosistemi o funzionalità.

Implementazioni di successo di TTEthernet

Un portavoce di TTTech Aerospace spiega la gamma di soluzioni e le loro applicazioni: “TTTech Aerospace offre prodotti, componenti e soluzioni a livello scatola per avionica e reti dati utilizzate nel volo spaziale umano (es. veicoli spaziali, moduli della stazione spaziale e atterraggi), trasporto spaziale (es. veicoli di lancio) e infrastrutture orbitali in LEO. Siamo stati selezionati per una gamma di programmi da NASA, ESA e dai loro partner commerciali e siamo orgogliosi di vedere che le nostre soluzioni hanno già completato con successo le loro prime missioni spaziali.”

NASA Orion: Il primo volo di una rete dati basata su TTEthernet è avvenuto nel 2014, in occasione del primo volo di prova di Orion, il secondo nel 2022, quando Orion ha completato la sua prima missione senza equipaggio attorno alla Luna. TTTech Aerospace fornisce prodotti TTEthernet Switch e sistemi finali per la rete dorsale avionica di Orion e del Modulo di Servizio Europeo. L’avionica è composta da una varietà di componenti elettronici standard e complessi assemblati in vari sistemi indipendenti, ciascuno responsabile dell’esecuzione di specifiche funzioni critiche per la sicurezza. Tutti questi sottosistemi avionici indipendenti sono collegati alla rete TTEthernet deterministica ad alte prestazioni.

Ariane 6: A luglio 2024, la nuova generazione di veicoli di lancio europei ha completato con successo il suo primo volo. TTTech Aerospace ha fornito componenti COTS resistenti alle radiazioni per le reti avioniche che sono considerate una delle innovazioni di questo programma. I principali criteri di selezione per questi prodotti erano la riduzione dei costi software, larghezze di banda più elevate e modularità. I veicoli di lancio hanno bisogno solo di circa 100 Mbit/s per il traffico di controllo, telemetria e flussi video, ma TTEthernet offre velocità fino a 1 Gbit/s per porta e consente quindi l’espansione della rete e l’introduzione di nuove funzioni in futuro senza aumentare la complessità della rete. La modularità ha anche giocato un ruolo chiave, in quanto non è stato necessario avere configurazioni di rete diverse per Ariane 62 e Ariane 64, e la rete potrebbe in futuro essere espansa per nuovi casi d’uso come il volo spaziale umano o con ulteriori sottosistemi senza compromettere l’affidabilità del backbone digitale e del sistema avionico.

TTTech Aerospace è stata coinvolta nel programma Ariane 6 sin dai primi stadi, nell’ambito di un’attività di ricerca finanziata dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA), focalizzandosi sul rendere la comunicazione e la trasmissione di dati nel lanciatore sicure ed efficienti: “Siamo orgogliosi di garantire una comunicazione dati infallibile nel veicolo di lancio con i nostri prodotti integrati in oltre 50 unità avioniche. Questi sensori e sistemi di controllo elettronici scambiano dati con il computer di controllo tramite la rete dati di Ariane 6 per operare funzioni critiche per la sicurezza come il calcolo, la distribuzione di energia o l’attivazione del vettore di spinta. Abbiamo anche contribuito ad Ariane 6 con lo sviluppo e la qualificazione del firmware oltre al supporto per l’integrazione,” afferma un rappresentante di TTTech Aerospace.

Integrare un sottosistema basato su TTEthernet nella rete avionica di Ariane 6: Un esempio pratico per estendere la rete e aggiungere nuove funzionalità è la collaborazione tra TTTech Aerospace e Réaltra Space Systems Engineering. Insieme, stanno sviluppando una soluzione per integrare la trasmissione di dati deterministica direttamente nel sistema della telecamera di bordo. Le telecamere di bordo erano già state utilizzate per il primo volo di Ariane 6, ma per le missioni future saranno integrate nella rete dati del lanciatore. Il nucleo di questa unità sarà un compatto e leggero switch in grado di interfacciarsi direttamente con la rete, evitando la necessità di un’ulteriore unità avionica (ponte dati). Sarà anche adatto per l’uso in altre applicazioni di trasporto spaziale.

Lunar Gateway – il nuovo hub spaziale internazionale: Gli “International Avionics System Interoperability Standards” (IASIS) per le applicazioni avioniche nel deep space stabiliscono la tecnologia di rete Time-Triggered Ethernet per questo programma, garantendo che tutti i prodotti e componenti dei partner commerciali e delle agenzie spaziali coinvolte possano essere facilmente integrati in una rete dati comune.

“TTTech Aerospace ha lavorato a stretto contatto con i principali attori americani ed europei sul sistema di comunicazione deterministica critico per i loro moduli per il Lunar Gateway della NASA. È basato su TTEthernet e quindi su standard internazionali aperti che garantiscono un’interoperabilità senza soluzione di continuità tra i moduli, le navette spaziali in visita, nonché atterraggi e altri veicoli,” spiega un rappresentante dell’azienda.

La rete dorsale avionica del Lunar Gateway fornirà comunicazione dati ad alta velocità affidabile con una tolleranza ai guasti duale incorporata per aumentare il livello di sicurezza e ottenere un sistema a funzionamento fail-operational. TTTech Aerospace collabora con il suo partner Beyond Gravity Austria sui prodotti COTS e sistemi a livello scatola per il Habitation and Logistics Outpost (HALO) di Northrop Grumman e il Power and Propulsion Element (PPE) di Maxar Technologies. Lo stesso tipo di sistema sarà utilizzato anche da Thales Alenia Space nella contribuzione europea al Gateway, il Lunar I-Hab e Lunar View.

Tuttavia, questi programmi non sono gli unici in cui TTTech Aerospace è coinvolta, afferma un portavoce dell’azienda: “Stiamo lavorando con diverse aziende internazionali su nuovi programmi spaziali, inclusi veicoli e atterraggi lunari. Vediamo un chiaro interesse per le reti deterministiche a criticità mista – non solo perché hanno dimostrato il loro valore e possono essere prodotte con tempi di consegna quasi brevi come i COTS, ma anche per i loro vantaggi. Sicurezza, affidabilità e modularità sono fattori chiave in ogni programma spaziale, e sono anche al centro dell’offerta di TTTech Aerospace.”

Backbone digitale a criticità mista

Tradizionalmente, i veicoli spaziali hanno utilizzato bus di dati rigorosamente separati per scopi di controllo, per i loro carichi utili e spesso anche per i dati di telemetria. Ora che anche i carichi utili sono per lo più digitali, gli ingegneri possono costruire veicoli spaziali con un’unica dorsale digitale per gestire tutti i tipi di dati, riducendo così complessità e costi. Questo è guidato da diversi fattori. In primo luogo, l’elettronica robusta è diventata sia più compatta che più potente. In secondo luogo, l’Ethernet, ampiamente utilizzato sulla Terra, può essere utilizzato a velocità di 1 Gbit/s o più man mano che diventano disponibili trasmettitori tolleranti alla radiazione. In terzo luogo, l’aggiunta di determinismo e gestione della ridondanza che, ad esempio, TTEthernet fornisce in modo sicuro e protetto, previene interferenze tra i dati. Infine, poiché il riutilizzo dei sistemi avionici e in particolare del sempre più costoso software di volo diventa un fattore distintivo, lo è anche una dorsale digitale che consente aggiornamenti ed estensioni con limitati sforzi di riqualificazione. I veicoli spaziali complessi come i veicoli di lancio a più stadi e gli habitat spaziali traggono certamente i maggiori benefici, ma l’adozione di dorsali digitali basate su Ethernet nella maggior parte delle applicazioni spaziali è inevitabile – così come una maggiore performance di calcolo e l’aumento delle velocità di trasmissione dati.

TTTech è stata coinvolta negli sforzi di standardizzazione per bus e reti dati deterministici da oltre due decadi. Il suo know-how e la sua esperienza nella rete deterministica consentono a TTTech Aerospace di fornire ai clienti le migliori soluzioni per i loro progetti – dalla fase di progettazione, al testing, alla configurazione e all’implementazione, fino al volo. TTTech Aerospace offre un portafoglio che copre ogni fase del processo e i suoi esperti dedicati in ingegneria software e sistemi presso la sua sede in Europa e nei suoi uffici in Nord America supportano i clienti durante i loro programmi.