NASA Johnson Space Center’s Virtual Reality Lab

Il Johnson Space Center (JSC), situato a 40 kilometri da Houston, è il più grande centro a livello internazionale per la ricerca spaziale e la formazione di astronauti provenienti da tutto il mondo:

“NASA’s Johnson Space Center has served as a hub of human spaceflight activity for more than half a century. It is home to the nation’s astronaut corps, the International Space Station mission operations, the Orion Program, and a host of future space developments. The center plays a pivotal role in enhancing scientific and technological knowledge to benefit all of humankind.”261

Dal 1959, 321 astronauti statunitensi e più di 130 provenienti da altre nazioni sono stati formati all’interno di questo centro. Al Johnson Space Center, dopo aver affrontato un durissimo processo di selezione, gli astronauti sono sottoposti a un intenso ciclo di formazione della durata di due anni per poi passare alla formazione mirata alla singola missione. Oltre allo studio di discipline scientifiche riguardanti la terra, lo spazio, la meteorologia e l’ingegneria, durante questo processo gli aspiranti astronauti sono sottoposti a complicate simulazioni sia delle navicelle spaziali, sia dell’ambiente spaziale. Alla fine di questo processo di formazione, determinate missioni sono assegnate ai nuovi astronauti e la formazione continua sulle specifiche richieste dalla missione loro assegnata.

In particolare è possibile distinguere due tipologie di astronauta, il pilota e lo specialista di missione. Al primo viene assegnato il compito di guidare lo shuttle nello spazio e di comandare la missione, al secondo invece è affidato il compito di condurre l’escursione spaziale, seguire le attività dei robot e condurre la ricerca scientifica.

Al fine di ottimizzare e migliorare questo processo di formazione, all’interno del JSC è presente il Virtual Reality Lab (VRL). La sua nascita risale all’inizio degli anni ‘90, quando il Software

Technology Branch (STB) del NASA JSC, in cooperazione con la University of Houston- Downtown, ha esplorato l’utilizzo di nuove tecnologie per la formazione e la pianificazione

delle missioni.262

In particolare il VRL nasce come esperimento quando il telescopio Hubble, lanciato in orbita nel 1993, subì un danno ed fu necessario ripararlo. L’operazione era molto complessa in quanto il telescopio doveva essere recuperato dall’orbita, sistemato alla base dello shuttle e riparato. Tutto questo processo richiese elevate competenze e abilità tali per cui è necessaria una complessa formazione degli astronauti e fu questo il momento in cui la NASA iniziò a pensare a come fosse possibile creare una migliore l’esperienza nella fase di training.

Il Virtual Innovation Lab è un dipartimento del JSC dedicato allo sviluppo di sistemi e metodi di training basati su un ambiente virtuale definito ultra realistico.

Il sistema di training VR del NASA VRL integra diversi elementi come la grafica computazionale,

261 _{http://www.nasa.gov/centers/johnson/home/index.html}

262 _{LOFTIN R B., SAVELY R, BENEDETTI R. et al., Virtual Environment Technology in Training, Results from}

HMD, guanti aptici, e dispositivi sensoriali per simulare la visione e la sensazione di una passeggiata nello spazio (spacewalking).

La spacewalking è quella fase in cui l’astronauta lascia l’ambiente della navicella spaziale per avventurarsi nello spazio al fine di portare a termine un compito come la riparazione o sostituzione di moduli compromessi della navicella o dei satelliti artificiali e il punto attorno al quale comunemente avvengono queste operazioni è l’International Space Station (ISS), un satellite artificiale internazionale lanciato in orbita nel 1998.

La formazione degli astronauti durante questa fase è quindi un elemento fondamentale per la riuscita della missione e la sicurezza degli stessi e, come sostiene David Homan, STS-123

mission specialist al NASA VRL, la realtà virtuale rappresenta un valido strumento a supporto

di questo processo:

“Training in the virtual reality lab gives the spacewalking crew members a chance to see and interact with the actual space station configuration they will be working around on their particular flight. Virtual reality training allows the spacewalkers and the arm operators to practice together in and around the “actual” station and shuttle configurations they will be working. They can determine and practice what and how to give commands before flight so that no confusion occurs during the actual in-flight operations. Spacewalkers can safely practice “dangerous” events such as self-rescue techniques using the SAFER units. Spacewalkers and arm operators can familiarize themselves with the actual configuration that the space station will be in during their particular mission, no matter how far off into the future that may be.”263

All’interno del sistema VR, tutte le stazioni spaziali e le strutture presenti nell’orbita sono ricreate nell’ambiente simulato e osservato dall’astronauta attraverso HMD.

In simultanea, la stessa struttura è visualizzata negli schermi video che riproducono il punto di vista del soggetto agli altri membri, o potenziali membri, dell’equipaggio dello shuttle al fine di monitorare le attività del collega come fossero anch’essi in orbita.

Il sistema permette inoltre la simulazione delle diverse braccia meccaniche presenti sulla navetta e sulle stazioni spaziali. L’integrazione della simulazione delle braccia meccaniche alla simulazione spaziale complessiva permette all’astronauta di sperimentare l’effetto del movimento del braccio a cui è virtualmente attaccato e, al contrario, i membri dell’equipaggio che gestiscono il braccio visualizzano attraverso il monitor il movimento dello stesso e l’effetto sull’astronauta.

Dato che lo spazio virtuale ricreato non è limitato dalla grandezza o dalla posizione della navicella, l’intera configurazione della stazione spaziale può essere visualizzata sui monitor e sull’HMD.

Gli astronauti hanno la possibilità di osservare non soltanto la stazione spaziale bensì anche lo spazio, i pianeti e la terra e, questa visualizzazione, permette così a tutto l’equipaggio di osservare

e sperimentare esattamente ciò che andranno a fare durante una missione spaziale reale.

Una missione che avviene al di fuori del veicolo spaziale è chiamata Extravehicular activity (EVA) e, un parte del sistema di simulazione, è dedicato alla formazione sulla sicurezza dell’astronauta durante queste attività. Il sistema di sicurezza adottato dalla NASA è il Simplified

Aid For EVA Resecue (SAFER). Il SAFER consiste in uno piccolo “zaino jet” indossato da

tutti gli astronauti durante le operazioni al di fuori della navicella spaziale. L’unità permette all’astronauta di volare verso la navicella nel caso in cui, per qualche motivo, si allontani in maniera pericolosa dalla stessa.

In questo senso il processo di training virtuale prevede un simulatore di volo per questo dispositivo e, attraverso l’interazione tra un sistema di controllo reale e l’HDM, l’astronauta può migliorare la pratica di volo del SAFER così come i piloti aereronautici usano simulatori di volo per la loro formazione.

Inoltre, lo stesso sistema elaborato dal Virtual Reality Lab utilizzato nella formazione che avviene al JSC è utilizzato anche durante la missione attraverso laptop presenti nella stazione spaziale. L’equipaggio nello spazio utilizza il sistema per progettare e controllare le operazioni che avvengono al di fuori dallo shuttle e durante l’utilizzo delle braccia meccaniche. Il programma che simula il movimento delle braccia è guidato durante le operazioni da dati reali provenienti dalle stesse in tempo reale al fine di permettere all’operatore un’osservazione di ciò che sta realmente accadendo all’esterno della navicella. Inoltre, nuove configurazioni di dati possono essere sviluppate dalla stazione terrena e inviate ai computer di bordo della stazione spaziale in qualsiasi momento al fine di assicurare all’equipaggio configurazioni sempre aggiornate ed in tempo reale. Figura 3 - Visualizzazione della sessione di training VR Fonte: blogs.nvidia.com (2016)

Figura 4 - L’equipaggio durante la formazione delle operazioni EVA all’interno del Virtual Reality Lab

Fonte: jscfeatures.jsc.nasa.gov/ (2016)