Salvatore Pignataro

1. La Stazione Spaziale Internazionale,la sua Utilizzazioneed il processo di integrazione dei payload – Roma, 9 aprile 2009 – Salvatore Pignataro

2. Sommario • La Stazione Spaziale Internazionale • L’Utilizzazione della ISS e le risorse nazionali • Il processo di integrazione dei “payload” 2

3. La Stazione Spaziale Internazionale Cos’è Come nasce Com’è fatta Dov’è Il piano di completamento

4. Cos’è • La Stazione Spaziale Internazionale è un struttura di ricerca orbitante in fase avanzata di assemblaggio • Abitata dalla fine del 2000 da equipaggi di almeno due astronauti, costituisce un avamposto permanente della presenza umana nello spazio • Realizzata da una cooperazione internazionale, che comprende USA, Russia, Europa, Giappone, Canada • L’assemblaggio in orbita è iniziato nel 1998. Se ne prevede il completamento nel 2010 ed il mantenimento in operazione almeno fino al 2016 • Probabile estensione della vita operativa al 2020 • Già oggi, è di gran lunga la stazione spaziale più grande mai realizzata 4

5. Come nasce - 1 • 25 gennaio 1984. “Discorso sullo Stato dell’Unione” del presidente Reagan • Lancia il programma della “U.S. Space Station Freedom” • Tra il 1988 ed il 1989, Canada, Europa e Giappone si uniscono all’impresa • Nel 1993, la Russia entra nel Programma Stazione Spaziale • Nel 1998 il progetto della “International Space Station” (ISS) prende la forma attuale • Le nazioni partecipanti firmano l’ ”Intergovernmental Agreement” (IGA) • La NASA firma “Memoranda of Understanding” (MOU) bilaterali e accordi di scambio (“barter” agreements) con le varie Agenzie Nazionali La Stazione Spaziale è la continuazione e la fusione di preesistenti programmi nazionali per la realizzazione di strutture di ricerca orbitanti 5

6. Come nasce - 2 • Progetto in tre fasi • Fase 1, avviata nel 1995 e conclusa nel 1998. Comprendeva missioni congiunte USA/Europa e russi della stazione MIR. Primi spettacolari rendez-vouz dello Shuttle • Fasi 2 e 3: costruzione e assemblaggio in orbita • Fase 2 conclusa con il lancio del modulo US-LAB nel 2001 e l’inizio dell’utilizzazione della stazione (Early Utilization). Fase 3 in corso • Primo elemento in orbita nel novembre del 1998. E’ il modulo russo Zarya (alba) • lanciato con un razzo russo Proton • 1 mese dopo il modulo americano Unity (Nodo 1) viene portato in orbita dallo Space Shuttle e collegato a Zarya (FGB) • Il 12 dicembre 1998 il comandante shuttle R. Cabana ed il cosmonauta S. Krikalev fanno il loro ingresso nella neonata Stazione Spaziale Internazionale 6

7. Com’è fatta - 1 • E’ divisa in segmenti, definiti in base alla responsabilità dei partecipanti • I segmenti sono costituiti da elementi • moduli, nodi, struttura centrale a trave, pannelli solari, radiatori • I moduli sono gli elementi cilindrici pressurizzati che racchiudono lo spazio abitabile dalla stazione • Comprendono i laboratori per la ricerca: US-LAB Destiny (USA), COF Columbus (UE), JEM Kybo (Giappone), MLM (Russia) • I Nodi sono moduli di interconnessione • Altri elementi sono: il braccio robotico canadese, piattaforme esterne per esperimenti esposti, moduli di attracco per le navicelle e di uscita nello spazio per gli astronauti, la cupola • I collegamenti con la terra sono effettuati • per gli equipaggi, con Shuttle (fino al 2010) e Soyuz • per i rifornimenti, con Progress, ATV e HTV L’ esploso della Stazione Spaziale: 7

8. Lanci americani Lanci russi 8

9. Com’è fatta - 2 • Come è assemblata • E’ costruita come un gigantesco meccano • Composta da più di 100 elementi • 84 lanci effettuati a partire dal 1998 • 54 russi, 28 Shuttle USA, 1 europeo (ATV) • 119 EVA effettuate per un totale di circa 750 ore • 28 STS-based, 91 ISS based • ad “assembly complete” il totale degli EVA sarà 160 • 20 lanci al completamento (ISS Assembly Complete) • 8 voli Shuttle (incluso STS-134/ULF6), di cui 3 MPLM • Qualche dimensione • Una volta completata: • Peserà 420 tonnellate • Avrà le dimensioni di un campo di calcio (108 x 79 m) • Avrà un volume abitabile pari a quello di un Boeing 747 (935 m3) 9

10. Dove si trova • In orbita attorno alla Terra • Ruota intorno alla Terra ad una altezza di circa 400 Km (350÷460). • Viaggia da ovest verso est e l’orbita è inclinata di 51,6° rispetto all’Equatore • La sua velocità è di 28.000 Km/h (da Roma a Milano in 1 minuto) • Cosa si vede dalla Stazione Spaziale • 90 minuti per un orbita completa attorno alla Terra • L’equipaggio vede 16 albe e 16 tramonti in un giorno • Copre nella sua orbita l’85% della superficie terrestre (95% della popolazione mondiale) • ISS “locators” • E’ l’oggetto più luminoso della volta celeste dopo Sole, Luna, Venere • I siti web NASA ed ESA forniscono le coordinate di passaggio 10

11. 11

12. Piano di completamento • nella prossima diapositive • Reference Assembly Sequence Overview • È il piano corrente di assemblaggio della ISS (agg. al 3/2) 12

13. Reference Assembly Sequence Overview (Last Updated: Feb. 3, 2009 IDRD Flight Program History Reference Flight Planning Data SSP 50110 Multi-Increment Manifest (MIM)

14. L’Italia al Kennedy Space Center: (foto scattata nell’SSPF del KSC a Marzo 2004) 14

15. Le risorse e l’Utilizzazione della Stazione Spaziale Internazionale Gli equipaggiamenti e le risorse Le discipline I piani di Utilizzazione PTP e COUP Risorse e Utilizzazione nazionali

16. Equipaggiamenti e risorse di bordo • La ricerca viene effettuata nei laboratori e sulle piattaforme esterne • Lungo le pareti dei laboratori sono sistemati strutture standard simili a grandi frigoriferi (“racks”) • I racks alloggiano gli equipaggiamenti scientifici e forniscono le risorse necessarie agli esperimenti • potenza, raffreddamento, trasmissione dati, scarico, azoto gassoso, strumenti di misura • Ad oggi, sono 19 le “research facilities” a bordo • includono “rack” standard e “rack” specializzati per disciplina, di cui 12 NASA, 5 ESA, 2 JAXA • ad assemblaggio completo saranno 31, di cui 19 NASA • Le piattaforme esterne permettono di effettuare esperimenti nello Spazio esterno • Sono presenti sulla struttura a trave (ELC), sul Columbus (EPF), sul JEM (JEM-Exposed Facility) 16

17. Equipaggiamenti e risorse NASA • Ambiente pressurizzato • Expedite the Processing of Experiments to the Space Station (EXPRESS) Racks • in US-Lab: ER#1, ER#2, ER#6 (galley); in COF: ER#3; in JEM: ER#4, ER#5, ER#7; ER#8 • Rack specializzati per disciplina (Facilities) • HRF-1 (Human Research Facility-1) [USL/COF] • HRF-2 (Human Research Facility-2) [USL/COF] • Microgravity Science Glovebox (MSG) [USL/COF] • Minus Eighty-degree Laboratory Frezeer for ISS (MELFI) • MELFI e MELFI-2 a bordo, MELFI-3: lancio nel 2010) [JEM] • CIR (Combustion Integrated Rack) [USL] • FIR (Fluids Integrated Rack) [USL] • MSRR (Materials Science Research Rack) [USL] • Space Dynamically Responding Ultrasound Matrix System (SpaceDRUMS) • Express-based facility [ER#5] • MARES (Muscle Atrophy Research and Exercise System) [COF] • WORF (Window Observational Research Facility) [USL] • Ambiente non pressurizzato • Expedite the Processing of Experiments to the Space Station (EXPRESS) Logistic Carrier (ELC) • sulla truss: ELC1, ELC2, ELC3, ELC4 (lancio 2009-10) 17

18. Expedite the Processing of Experiments to the Space Station (EXPRESS) Racks • Controllo termico • ad acqua • ventilazione forzata • Potenza elettrica: 2kW a 28Vdc • Distribuzione Dati e Video • RS-422 • Ethernet • Azoto e possibilità di creare il vuoto • Struttura di supporto per esperimenti in ambiente pressurizzato • Struttura esterna: International Standard Payload Rack (ISPR) • Payloads indipendenti • Volume interno 2ft³=0.05664 m³ • Controllo: • da Terra: Payload Rack Officer (NASA Marshall) • in orbita: Crew ISS Standard Modular Stowage Locker Image provided by NASA Express Rack 8/2 Configuration Image provided by NASA

19. “Research Facilities” NASA • HRF-1/HRF - 2 (Human Research Facility-1/-2) • studi sugli effetti di un volo spaziale sull’uomo • adattamento allo spazio&microgravità (Psicologia, Chimica, Biomedicina) • MELFI (Minus Eighty-degree Laboratory Frezeer for ISS) • conservazione campioni a +4 °C, -26 °C, -80 °C • CIR (Combustion Integrated Rack) • analisi fisica delle combustioni in microgravità • FIR (Fluids Integrated Rack) • analisi comportamento dei fluidi in microgravità • MARES (Muscle Atrophy Research and Exercise System) • analisi degli effetti della microgravità sull’apparato locomotore • MSRR-1 (Materials Science Research Rack-1) • analisi in microgravità di componenti termiche/chimiche dei materiali • WORF (Window Observational Research Facility) • osservazione della Terra e dello Spazio • SPACE-DRUMS (Space Dynamically Responding Ultrasound Matrix System) • contenimento di campioni senza contatto con le pareti • Express-based facility [ER#5] SpaceDRUMS in ExPRESS 5 HRF-1 MELFI-1 WORF CIR MARES MSSR FIR

20. 4 “Research Facility” NASA 2 Human Research Facility Racks Materials Science Research Rack 5 ExPRESS Racks Combustion Integrated Rack MELFI-3 1 2A Window Observational Research Facility 5 ExPRESS-6 (Galley and Research) Fluids Integrated Rack 3A with EMCS SpaceDRUMS in ExPRESS 5 Microgravity Science Glovebox Minus Eighty-Degree Laboratory Freezer for ISS Muscle Atrophy Research Exercise System (MARES) ExPRESS-7 & 8 MELFI-2 20 a bordo 2009-2010 Courtesyby NASA

21. EXPRESS Logistics Carrier (ELC) • Struttura di supporto per Payloads Esterni • Osservazione dello spazio profondo e/o Terra • 12 locazioni, di cui 2 con potenza e dati per payload • Trasporto: Shuttle Cargo Bay • Trasferimento su ISS: SSRMS, STS RMS • Piano di lancio • ELC1/2: ULF3 (‘09); ELC4: ULF5 (‘10); ELC3: ULF6 (‘10) Single Adapter Site • Capacità di Carico: 230 kg con un volume di 1 m³ • Potenza: 750 W @ 28 VDC per adapter • Interfaccia dati ELC/Payload: • High Rate Data Link (HRDL): 95 Mbps max (fibra ottica) • Medium Rate Data Link (MDRL): 10 Mbps max (Ethernet) • Low Rate Data Link (LRDL): 1 Mbps max • Raffreddamento: passivo • Osservazione Payloads: video camere ad alta qualità Courtesyby NASA

22. EXPRESS Logistics Carrier (ELC) ELC3 ELC2 ELC1 ELC4 ELC3 ELC2 ELC4 ELC1 Rappresentazione artistica del EXPRESS Logistics Carrier (ELC) montato sul lato sinistro della ISS (port truss 3 - P3) e sul lato destro della ISS (starboard truss 3 – S3). 22

23. Le discipline • Le attività sperimentali condotte sulla ISS si concentrano sulle seguenti discipline: • Fisiologia umana e sviluppo di contromisure per l’esplorazione • Esperimenti biomedici per studiare gli effetti dello Spazio sull’uomo ed utilizzare i risultati per lo sviluppo di contromisure verso gli effetti negativi della permanenza prolungata (Nutrition, Journals, Interaction, Epstain-Barr, Integrated Immune, Integrated Immune-SDBI, Latent Virus, CCM-Immune Response, CCM-Wound Repair, Stability) • Scienza della vita e scienze fisiche in microgravità • Indagini su processi fisici, chimici, biologici fondamentali che a terra sono mascherati dagli effetti della gravità (CFE, InSPACE-2, CSLM-2, Microbe) • Osservazione della Terra ed attività didattiche • La ISS copre nella sua orbita più del 90% della regioni abitate (CEO, CEO-IPY) • Centinaia di scuole hanno utilizzato la fotocamera di bordo (EarthKAM) e partecipato ad attività di ricerca (MISSE-2, MISSE-3 and 4) • Sviluppo di tecnologie • Sviluppo di tecnologie abilitanti per il programma di esplorazione del sistema solare (SAME, DAFT, MISSE, LOCAD-PTS) • 155 esperimenti condotti da quando la ISS è abitata, di cui 94 completati [mar ‘08] • Un database delle ricerche effettuate sulla ISS è mantenuto dal NASA sul sito “ISS Program Scientist Toolbox” (http://iss-science.jsc.nasa.gov/payload_picker.cfm) 23

24. I piani di Utilizzazione • Programmazione tattica: IDRD Annex 5 - Payload Tactical Plan (PTP) • contiene la lista dei payload sulla ISS nell’Incremento con gli associati obiettivi sperimentali e la priorità assegnata, l’allocazione di tempo astronauta, i requisiti di utilizzazione in termini di risorse al lancio, al ritorno, in orbita; contiene la topologia dei payload nella ISS • è approvato dal Multilateral Payload Control Board • in corso: PTP per Incremento 19/20 (apr-ott 2009). In approvazione: PTP Incr. 21/22 (ott ’09-mar ‘10). Avviato il processo per PTP Incr. 23/24 (mar-set 2010) • nel PTP per l’Incremento 19/20: • allocazione ore astronauta: totale circa 1150, di cui 800 NASA e circa 28 ASI • requisito massa al lancio su 17A: circa 3.500 kg, di cui 3.200 NASA e 95 ASI 24

25. I piani di Utilizzazione • Programmazione strategica: Consolidated Operations and Utilization Plan (COUP) • contiene la previsione di risorse disponibili per la utilizzazione ed i piani di operazione e di utilizzazione • è approvato dal Multilateral Coordination Board • il COUP in corso (Dic ‘08) copre il periodo 2008-2015 • previsione risorse disponibili 2010-2015 • Up-mass 40.450 kg, di cui NASA 76,6% • Down-mass 9.000 kg, di cui NASA 76,6% • Rack pressurizzati: 31 (allocazione NASA 20,5) • Locazione esterne: 22 (allocazione NASA 14,5) • Tempo astronauta: 1750 ore/anno (NASA 1340,5) L’allocazione delle risorse tra i partner internazionali è: NASA, 76,6%; GOJ, 12,8%; ESA, 8,3%; CSA, 2,3% 25

26. Utilizzazione nazionale • Tramite l’MOU per gli MPLM, ASI ha acquisito una quota di diritti di utilizzazione della Stazione Spaziale pari ad una frazione delle risorse NASA • ASI ha diritti di utilizzo (allocazioni in ambiente pressurizzato e esterne, upload, download, massa, volume, energia, crewtime, dat) pari a 0,85% della quota NASA, equivalente allo 0.6% delle risorse complessive ISS (Art. 9 MoU) • corrisponde circa (secondo COUP 1999): • alla occupazione permanente di un volume pressurizzato pari a 2 MDLE (Middeck Locker Equivalent) [¼ di rack] • alla disponibilità per tre mesi/anno di uno slot su ELC • accesso alla “research facility” • modalità in via di definizione tra ASI e NASA • questa allocazione è leggermente ridimensionata da COUP 2008-2015 • Nel 2001, ASI ha promosso un piano di utilizzazione che prevede la conduzione di esperimenti a bordo e lo sviluppo degli equipaggiamenti necessari • il piano è stato aggiornato nel 2006 e nel 2008 • il piano deve essere adeguato alla allocazione di risorse del COUP 2008 • il prossimo aggiornamento è atteso come prodotto delle iniziative lanciate con il presente Workshop 26

27. Utilizzazione nazionale • Dal 2001, ASI ha imbarcato 6 payload e condotto esperimenti per circa 90 ore astronauta • APCF (ESA su risorse ASI), HPA, ALTEA, Esperimenti Missione Esperia (HPA, SPORE, FRTL-5), ELITE-S2 • 3 payload italiani sono attualmente a bordo (HPA, ALTEA, ELITE-S2) • ALTEA sarà riattivato in modalità DOSI (dosimetria senza soggetto umano) nel corso del 2009 • la riattivazione di ELITE-S2 è programmata per il 2010 • La prossima missione prevista è MDS, Mice Drawer System ad Agosto del 2009 • primo esperimento su animali di lunga permanenza nello spazio • il modello di volo è stato consegnato al KSC • settimana scorsa ha completato con successo il test di integrazione • sono in corso negoziati con NASA per una seconda missione nel 2010 27

28. Il processo di integrazione dei p/l della ISS Processo di manifesto dei p/l Processo di integrazione dei p/l Fasi della integrazione Strategica, tattica, operazioni Documenti di requisito e “Agreementes” Le diapositive di questa sezione sono estratte dalla presentazione NASA “Payload Process Overview”

29. Payload-specific Resource Definition and Two-pagers (RPO/RIO) ISS Payloads Office Feasibility Assessments (Integration Organizations) Payload-prioritization (Lead Increment Scientist) Launch Schedules (Shuttle, Russians, ESA, JAXA, ISS Program Office) Flight & Increment-specific Utilization Allocations (ISS Program Office) (Up/downmass, Crewtime, Power, etc) Il processo di manifesto dei p/l A payload’s RPO sponsor initially responds to the RPWG “Call for Payloads” with a list of candidate payloads and resource requirements for consideration. This action starts the manifesting process. ~ Increment minus 19 months Research Planning Working Group (RPWG) Increment-specific Research Plan ISS Payloads Control Board Payload Tactical Plan (PTP) ~ Increment minus 16 months 29

30. Strategic Operations Post-flight Tactical I-36M I-16M ~L-1M Crew Return ~6M Post Flight Ops (H/W, Data Return) Real Time Operations (Research) Requirements Definition (Design, Development, Test, Safety, and Verification) Mission Integration (Increment Planning) Increment ISS Crew Rotation ISS Crew Rotation Manifest Approved PDR CDR Stage Stage Stage Requirements DocumentationUpdates Launch Launch Launch Launch Payload can be on-orbit at this time Baselined program requirements drive development of payload ICD’s… PIRN’s RCAR’s ERCAR’s RequirementsDocumentation CoFR Stage by Stage …but requirements can be updated due to new requirements or clarification of existing requirements IRD’s IDD’s OWTL’s CoFR Cklist CoFR Letter Certification of Flight Readiness (CoFR) Verification Data Submittals Verification Data Submittals Agreement Documentation OWTL’s CoFR Checklist CoFR Letters Payloads still require integration support after they are operational on-orbit PIA’s ICD’s Processo di integrazione dei p/l 30

31. Payload Integration Agreement (PIA) Development Begin Technical Interchange Meetings Fase strategica TYPICALSTRATEGIC TIMEFRAME Preliminary Design Review Critical Design Review Payload Tactical Plan (Inc/Flt Assignment) Phase II Safety Review Export Classification Letter Resource Requirements Definition PIA, Hardware ICD, PVP Baseline Develop Product Delivery Schedule Payload Development and Verification ISS Design Support Teams Ops Nomenclature, Payload Displays, Software ICD Development Phase 0/I Safety Review Hardware Interface Control Document (ICD), Payload Verification Plan (PVP) Development Identifies the initial processes for the Payload Integration activity 31

32. Fase tattica TYPICAL TACTICAL TIMEFRAME ~L-16 to L-12M ~L-12 to L-6M ~L-6 to L-1M Manifest and Stowage, Drawings, KSC Data Sets Phase III Safety Review Payload Rack Checkout Unit (PRCU) Testing at KSC Payload Turnover for Launch Vehicle Integration • Shuttle Middeck • Multipurpose Pressurized Logistics Module (MPLM) • Soyuz/Progress • ATV • HTV-II Crew Training Training Units Delivered, Planning Data Set, Operations Data Set Baseline Datasets: Command & Data Handling, Manifest and Stowage, Drawing, Procedures and Displays Initial Procedure Development ISS Interface Verification Note: EXPRESS Sub-rack payloads will have a compressed integration cycle. 32

33. Operazioni TYPICAL OPERATIONS TIMEFRAME ~L+2 days up through 6 months or more on-orbit Certification of Flight Readiness Post-Landing Payload Processing Launch On-Orbit Operations Landing Hardware De-integration Sample Return CoFR documentation addresses both hardware launch and Stage operations Requirements Documentation and Verification Paperwork 33

34. Documenti di integrazione Station Program Implementation Plan (SPIP) Payload Integration Implementation Plan (PIIP) Agency to Agency Integration Timeline Continuing on-orbit tasks • Recertification • RCAR • CoFR SPIA CoFR IRD’s IDD’s Other Requirements (Safety, OpNom, etc.) Program to Payload (Standard PIA) (Interface Requirements Documents) (Certification of Flight Readiness) Schedule Template (Interface Definition Documents) IntegrationRequirements PIA • ICD’s • Applicability Matrix • Verification Requirements OWTL’s CoFR Checklists CoFR Letters (Payload Integration Agreement) (Open Work Tracking Log) (Interface Control Document) Payload to Program • PIM Schedules • Status Reports • Stoplights Verification Data Data Sets Management CoFR Reporting Integration Agreements 34

35. Documenti di integrazione Negotiated Agreements What they do for the Payload Developer Documents joint agreements to manage and execute roles and responsibilities for payload integration. Unique PIA Documents negotiated product and hardware delivery dates. PIM Schedule Strategic Payload Unique ICD/Verification Requirements Defines payload hardware and software interfaces with ISS. Details interface verification requirements. Payload Safety Data Package Documents payload hazards, hazard controls, and hazard control verification. Tactical Payload Tactical Plan Documents detailed payload resource requirements. Document detailed payload requirements for technical disciplines: Payload Unique Data Sets 35

36. Requirements ensure safety, interface, and operations compatibility Safety Requirements Documents • NSTS 1700.7B, “Safety Policy and Requirements for Payloads using the Space Transportation System” • NSTS 1700.7B, ISS Addendum, “Safety Policy and Requirements for Payloads Using the International Space Station” • NSTS/ISS 13830, “Payload Safety Review and Data Submittal Requirements for Payloads Using the ISS” • NSTS/ISS 18798, “Interpretations of NSTS/ISS Payload Safety Requirements” • KHB 1700.7, “Space Shuttle Ground Safety Handbook” • SSP 52005, “Payload Flight Equipment Requirements and Guidelines for Safety-Critical Structures” • SSP 57025, “ISS Payload Interface System Fault Tolerance Document” Standard Requirements Documents (partial listing) • SSP 52000-PDS, “Payload Data Sets Blank Book” • SSP 52054, “ISS Program Payloads Certification of Flight Readiness Implementation Plan, Generic” • SSP 57000, “Pressurized Payloads Interface Requirements Document” • SSP 57003, “Attached Payload Interface Requirements Document” • SSP 57061, “Standard Payload Integration Agreement for Attached Payloads” • SSP 57072, “Standard Payload Integration Agreement for Pressurized, Small, and ExPRESS/WORF Rack Payloads” • IP requirements also exist for integration into partner modules, elements, or facilities Joint Agreements are required in the following disciplines • Safety Requirements • Physical Interface Requirements • Human Factors Requirements • Electrical/Thermal Interface Requirements • Command and Data Downlink Requirements • Operational Requirements • Crew Training Requirements • Transportation to/from Orbit Requirements • Ground Data Services • EVA/EVR Requirements Documenti di integrazione 36

37. Human Factors Requirements • Gli esperimenti che hanno come soggetto un membro dell’equipaggio necessitano di • “Informed Consent” dall’astronauta soggetto • approvazione dal “Medical Board” dell’Agenzia di appartenenza • approvazione dal CPHS (Committee for the Protection of Human Subjects) • approvazione dal HRMRB (Human Research Multilateral Review Board) • Il processo è lungo e deve essere avviato per tempo 37