Astronautica


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ASTRONAUTICA
Sonde, navicelle e missioni spaziali
L'inizio dell'esplorazione dello spazio può essere collocato nel 1957, quando l'agenzia spaziale sovietica, rubando il primato a quella statunitense, lanciò il primo satellite artificiale: lo Sputnik1. Da allora è stato un susseguirsi di lanci, grazie a quella corsa fra le due superpotenze, che, alimentata dalla "guerra fredda", porterà l'astronautica mondiale a tutta una serie di successi: dal primo volo umano attorno alla Terra (Y.Gagarin), fino alla conquista della Luna con l'Apollo 11. Esaurita l'esplorazione lunare, il campo d'indagine si è allargato al Sole, ai pianeti ed ai corpi minori, con delle missioni con cui è stato possibile cartografare Mercurio, Venere e Marte, analizzare profondamente l'ambiente della nostra stella e dei pianeti gioviani, e studiare oggetti come le comete e gli asteroidi.

Lo studio del sistema solare, avviene tuttavia mediante sonde automatiche, che possiamo così suddividere:

	FLYBY SPACECRAFT - Comprendono quei veicoli spaziali che effettuano ricognizioni e passaggi ravvicinati, seguendo un'orbita eliocentrica od una traiettoria di fuga, senza entrare in orbita attorno al corpo celeste da studiare. (es. Voyager, Pioneer, ecc...)
	ORBITER - Fanno parte di questo gruppo, le sonde che analizzano un corpo celeste entrando in orbita attorno ad esso. Sono capaci di operare anche autonomamente, soprattutto quando passano sopra l'emisfero del pianeta, opposto alla Terra (interruzione comunicazione), od al Sole (forte escursione termica). (es. Magellan, Galileo, Mars Odissey 2001, ecc...)
	PROBE - Sono delle speciali sonde progettate per lo studio dell'atmosfera dei pianeti. Generalmente non necessitano di propulsione, in quanto sono portate a destinazione da un veicolo spaziale (quasi sempre un orbiter), ed equipaggiate con generatori elettrici, radio-tx e strumenti atti alla rilevazione di dati concernenti la composizione, la densità e la temperatura degli strati atmosferici. (es. Probe di Galileo, Huygens di Cassini, ecc ....)
	LANDER - Moduli per la discesa sulla superficie dei pianeti. Effettuano l'analisi del suolo (composizione e distribuzione degli elementi chimici) e degli strati atmosferici piu' bassi, oltre alla ripresa di immagini. (es. Mars Pathfinder, Viking, ecc...) Possono essere incluse in questa categoria, anche quelle sonde che, impattando con la superficie, sopravvivono il tempo utile a studiare il sottosuolo. (es. Luna 1, Deep space 2, ecc...)
	ROVER - Sonde automatiche, alimentate da batterie elettriche, che effettuano l'esplorazione della superficie e la ripresa di immagini. (es. Sojourner, Jeep lunare, ecc...)
	OSSERVATORI SPAZIALI - Particolari sonde, che seguendo un'orbita solare o terrestre, indagano nel campo della luce visibile, dei raggi x e di quelli ultravioletti. (es. Chandra X-Ray Observatories, Hubble Space Telescope, ecc... )

foto NASA-NSSDC

I veicoli spaziali vengono portati nello spazio impiegando la propulsione di quei motori a reazione che equipaggiano i cosiddetti missili o razzi vettori. Questi, sfruttando l'espulsione ad alta velocità di particelle, e provocando quindi una forza contraria alla gravità terrestre, sospingono in alto le sonde, permettendo a queste di sottrarsi all'attrazione gravitazionale del nostro pianeta.

foto JPL-NASA

Come combustibile, dal lancio sino all'arrivo nello spazio esterno, vengono usati propellenti di natura solida o liquida, anche se vi sono dei casi in cui vengono impiegati ambedue. I primi sono piu' semplici da impiegare, ma i motori, basati su questo genere di alimentazione, possono essere avviati una volta sola. Viceversa quelli liquidi, permettono diverse riaccensioni, e quindi un piu' ottimale impiego.

Fra gli attuali veicoli di lancio abbiamo:

E.L.V. (Expendable Launch Vehicle), usati una volta sola, sono i famosi missili Delta, Titan, Arianne, Atlas, Proton e Soyuz.
S.T.S. (Space Transportation System), meglio conosciuto come Space Shuttle, "navetta spaziale". Riutilizzabile per piu' volte, con il suo ausilio è stato posto in orbita terrestre l'H.S.T., e sono state lanciate le sonde Galileo, Magellan ed Ulysses.

Una parte fondamentale nelle missioni spaziali, occupano i siti di lancio, ovvero i cosiddetti "cosmodromi". Infatti, lanciando da località che si trovano a determinate latitudini, è possibile sfruttare i moti della Terra. In prossimità dell'equatore ad esempio, è possibile avvalersi della velocità di rotazione del nostro pianeta, che ivi raggiunge appunto il suo massimo valore, effettuando il lancio nella stessa direzione della rotazione della Terra, ed ottenendo quindi un risparmio di carburante. E' possibile inoltre utilizzare la spinta derivante dalla velocità orbitale, lanciando ed accelerando la sonda lungo l'orbita terrestre, e perciò in direzione dello stesso senso di rivoluzione attorno al Sole.

Tuttavia, nei lanci a forte inclinazione, come ad esempio nei casi di immissione di satelliti in orbita polare terrestre, la spinta può essere fornita unicamente dalla propulsione.

Esaurita la fase preparatoria (definita A.T.L.O. - Assembly, Test and Launch Operations), che comprende la costruzione, il controllo e quindi il trasporto, inizia quel periodo definito "finestra di lancio". Questo è l'intervallo di tempo utile ad effettuare il lancio, secondo le esigenze stesse e gli scopi della missione, e tiene conto delle posizioni della Terra (per trarre vantaggio dai moti di rotazione ed orbitale del nostro pianeta) e dei pianeti (passaggi ravvicinati).

Essa avrà allora una durata di alcune ore, che limiterà il lancio a determinati periodi del giorno, solitamente quando la linea del terminatore passa per il sito di lancio, che perciò avverrà di sera, in direzione del Sole, od all'alba, nella direzione contraria. Nei viaggi interplanetari invece, l'intervallo di tempo utile si allarga anche a diverse settimane. Raggiunto lo spazio esterno, ogni veicolo spaziale viene sospinto e posizionato su determinate traiettorie curve, dove il combustibile principale diviene la stessa forza gravitazionale. La sonda infatti, al pari di ogni altro corpo del sistema solare, risponde alle stesse regole dettate dalle leggi di Keplero, seguendo delle orbite ellittiche ben determinate, che si svolgeranno in senso diretto o retrogrado, e che saranno caratterizzate dagli stessi parametri: gli elementi orbitali.

Una volta lanciata, ogni sonda può essere considerata come posta su un'orbita eliocentrica, per cui essa verrà inizialmente accelerata, in maniera tale da avere una velocità che gli permetta di dirigersi verso la meta.

Imprimendo allora delle opportune correzioni a queste orbite, è possibile raggiungere qualsiasi destinazione, avvalendosi anche dell'attrazione delle grandi masse planetarie, tramite passaggi ravvicinati.

La sonda infatti, viene fatta avvicinare ad un pianeta da dietro, mentre questo procede verso il Sole, così da ottenere un incremento della sua velocità. Lo stesso metodo viene usato, ma in maniera inversa, per effettuare una decelerazione.

Durante il viaggio essa viene continuamente monitorata attraverso il DSN (Deep Space Network), che avvalendosi delle tre stazioni, dislocate a 120° di longitudine l'una dall'altra (USA, Spagna ed Australia), in modo da avere una copertura totale, instaura una comunicazione bidirezionale con il veicolo spaziale, tramite la quale vengono rilevati i seguenti valori:

velocità - misurando le variazioni di frequenza dei segnali radio (effetto doppler), con le quali si ottiene la velocità relativa alla Terra;
distanza - dal tempo occorso fra la trasmissione e la successiva ricezione di un segnale radio inviato alla sonda.

Riguardo a quest'ultimo parametro, vengono impiegati anche altri metodi:

triangolazione, come avviene per le misurazioni terrestri, impiegando due fra le stazioni del DSN;
VLBI (Very Long Baseline Interferometry), che viene effettuato, ancora una volta impiegando due stazioni del DSN, che immediatamente dopo aver tracciato il percorso della sonda, vengono puntate verso una pulsar, della quale si conoscono con precisione le coordinate astronomiche. Da questo metodo si ricavano velocità e distanza radiale.

Conoscendo questi valori, è dunque possibile seguire la sonda nel suo viaggio interplanetario, in modo da apportare, se necessario, le opportune correzioni di traiettoria, anche se le sonde, sono comunque dotate di sistemi per la navigazione ottica, che si basano sul puntamento di determinate stelle o dello stesso Sole o di altri oggetti celesti. Nel calcolo della traiettoria di una sonda spaziale, entrano in gioco diversi fattori (vento solare, attrito atmosferico, ecc....), che se non preventivamente calcolati possono influenzare il suo percorso, provocando un'inutile dispendio di tempo e di risorse economiche, se non addirittura il mancato obbiettivo della missione o la perdita del veicolo. Per far fronte a questi imprevisti, le sonde sono dotate di piccoli razzi, che entrano in funzione per apportare le correzioni di traiettoria, rallentando od accelerando la sonda, od anche durante le operazioni di inserimento in orbita.

Soprattutto quest'ultima operazione è abbastanza delicata, in quanto, nel momento in cui inizia ad orbitare attorno al pianeta, la sonda si trova dal lato opposto alla Terra, per cui viene praticamente occultata dal corpo celeste, che impedirà ogni comunicazione sino a quando essa non riemergerà dall'altra parte.

La traiettoria iniziale sarà di forma ellittica, per essere poi "circolarizzata", mediante la tecnica dell'aerobreaking, ossia avvalendosi dell'attrito con gli strati atmosferici, che frenando il veicolo, ne ridurranno automaticamente il periodo orbitale e quindi il punto di massima distanza dal pianeta.

Generalmente le orbite seguite sono di due tipi:

equatoriali, od a bassa inclinazione, per effettuare lo studio dell'atmosfera, degli eventuali satelliti ed anelli e quindi della magnetosfera;
polari, quando bisogna effettuare la mappatura della superficie o lo studio delle regioni prossime ai poli.

Finita la missione, le sonde vengono fatte precipitare sul pianeta, ma a volte accade che esse, sebbene operino in un'ambiente talmente ostile ed usurante, siano ancora in ottimo stato, così da essere destinate ad un prosieguo, magari verso altri corpi celesti ed altre destinazioni, così come è successo per le sonde Voyager e Pioneer, che esaurito lo studio dei pianeti esterni, sono adesso in viaggio verso gli estremi confini del sistema solare.

Cassini
Galileo
Mars Odissey 2001
Pioneer 10-11
Voyager 1-2