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Astronautica - Sonde e missioni spaziali

L'inizio dell'esplorazione dello spazio può essere collocato nel 1957, quando l'Unione Sovietica lanciò il primo satellite artificiale, lo Sputnik 1. Da allora è stato un susseguirsi di lanci, che hanno portato l'astronautica mondiale a conseguire 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 poi 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.

Classificazione delle sonde spaziali

Protagoniste di queste missioni spaziali sono delle sonde automatiche che così possiamo suddividere:

Flyby spacecraft Flyby spacecraft - Comprendono quei veicoli spaziali che effettuano ricognizioni e passaggi ravvicinati seguendo un'orbita eliocentrica, od una traiettoria di fuga, senza tuttavia entrare in orbita attorno al corpo celeste da studiare (es. Voyager, Pioneer, ecc...).

Orbiter 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 Probe - Sono delle speciali sonde progettate per lo studio dell'atmosfera dei pianeti, le quali generalmente non necessitano di propulsione, in quanto sono portate a destinazione da un altro veicolo spaziale, quasi sempre un orbiter (es. Probe di Galileo, Huygens di Cassini, ecc ....).

Lander Lander - Moduli per la discesa sulla superficie dei pianeti. Effettuano l'analisi del suolo (composizione e distribuzione degli elementi chimici) e degli strati atmosferici più 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 Rover - Sonde automatiche semoventi, alimentate da batterie elettriche, che effettuano l'esplorazione della superficie e la ripresa di immagini (es. Sojourner, Jeep lunare, ecc...).

Osservatori spaziali Osservatori spaziali - Particolari sonde che, seguendo un'orbita solare o terrestre, permettono di indagare e studiare l'universo a prescindere dalle distorsioni e dalle limitazioni introdotte dall'atmosfera terrestre, e quindi non solo nel campo della luce visibile, ma anche nella restante parte dello spettro della radiazione elettromagnetica: raggi X, Ultravioletti, Gamma ed Infrarossi (es. Chandra X-Ray Obs., Hubble Space Telescope, ecc... ).

foto NASA-NSSDC

Vettori di lancio

Tutti questi veicoli spaziali vengono portati nello spazio impiegando la propulsione di motori a reazione che equipaggiano i cosiddetti missili o razzi vettori, che 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. Come combustibile, dal lancio sino all'arrivo nello spazio esterno, vengono usati propellenti di natura solida e liquida. I primi sono più 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 più ottimale impiego. Fra gli attuali veicoli di lancio abbiamo:

  • Expendable Launch Vehicle - usati una volta sola, sono i famosi missili Delta, Titan, Arianne, Atlas, Proton e Soyuz.
  • Space Transportation System - meglio conosciuto come Space Shuttle, "navetta spaziale". Riutilizzabile per più volte, con il suo ausilio è stato posto in orbita terrestre l'Hubble Space Telescope e sono state lanciate le sonde Galileo, Magellan ed Ulysses.

Vettore di lancio

foto JPL-NASA

Fase preparatoria - A.T.L.O.

Ogni missione inizia con una procedura definita A.T.L.O. (Assembly, Test and Launch Operations) che comprende la costruzione, il controllo e quindi il trasporto del veicolo spaziale sino alla rampa di partenza. Terminata questa fase scatta un periodo definito "finestra", ossia l'intervallo di tempo utile ad effettuare il lancio, il quale dipende dai moti della Terra e dalle posizioni dei pianeti. Infatti, al fine di poter trarre giovamento dalla velocità orbitale del nostro pianeta, il lancio sarà effettuato nella stessa direzione della rotazione o della rivoluzione della Terra. Esso sarà inoltre limitato a determinati periodi del giorno, solitamente al passaggio della linea del terminatore per il sito di lancio, che perciò avverrà di sera (in direzione dell'orbita) od all'alba (nella direzione contraria). Tenendo conto invece della posizione ravvicinata di pianeti, che possano eventualmente fungere da vere e proprie fionde gravitazionali per raggiungere mete più lontane, il margine di tempo si allargherà a diverse settimane.

Lancio

Traiettorie orbitali

Raggiunto lo spazio esterno ogni veicolo spaziale viene sospinto e posizionato su determinate traiettorie curve, dove il combustibile principale diviene la forza gravitazionale. Le sonde, infatti, al pari di ogni altro corpo del sistema solare, rispondono alle regole dettate dalle leggi di Keplero muovendosi secondo delle orbite ellittiche, in senso diretto o retrogrado, le quali saranno caratterizzate dagli stessi parametri di quelle dei pianeti: gli elementi orbitali.

Una volta lanciata ogni sonda può essere considerata come posta su un'orbita eliocentrica, per cui per raggiungere qualsiasi destinazione dovranno essere effettuate delle opportune correzioni orbitali. Questo avverrà, oltre che tramite l'accensione di piccoli motori a reazione in dotazione alle stesse sonde, avvalendosi anche dell'attrazione derivante da passaggi ravvicinati con masse planetarie, ossia avvicinandosi ad un pianeta da dietro, mentre questo procede verso il Sole, in modo da ottenere un incremento della sua velocità, od in maniera contraria, per effettuare una decellerazione.

Orbite eliocentriche

Sistemi di monitoraggio della missione

Durante il viaggio il veicolo spaziale sarà continuamente monitorato attraverso il Deep Space Network, che avvalendosi di tre stazioni radio, dislocate a 120° di longitudine l'una dall'altra (USA, Spagna ed Australia), in modo da garantire una copertura totale, instaurerà una comunicazione bidirezionale tramite la quale verranno rilevati i seguenti valori:

  • Velocità - misurando le variazioni di frequenza dei segnali radio (effetto doppler) con le quali si otterrà la velocità relativa alla Terra;
  • Distanza - dal tempo occorrente fra la trasmissione e la successiva ricezione di un segnale radio.

Riguardo a quest'ultimo parametro, si utilizzeranno anche altri metodi:

  • Triangolazione - come avviene per le misurazioni terrestri, impiegando due fra le stazioni del DSN;
  • Very Long Baseline Interferometry - effettuata ancora una volta con due stazioni del DSN, che immediatamente dopo aver tracciato il percorso della sonda, saranno puntate verso una pulsar di cui si conoscono con precisione le coordinate astronomiche. Da questo metodo si ricaveranno velocità e distanza radiali.

Triangolazione DSN

Conoscendo questi valori è dunque possibile seguire le sonde spaziali nei loro viaggi interplanetari, anche se esse sono comunque dotate di sistemi per la navigazione ottica basati sul puntamento di determinate stelle, del Sole e di altri oggetti celesti. Nel calcolo delle traiettorie vanno considerati inoltre diversi fattori (vento solare, attrito atmosferico, ecc....), che se non preventivamente calcolati possono provocare un'inutile dispendio di tempo e di risorse economiche, se non addirittura il mancato obiettivo della missione o la perdita del veicolo. Per far fronte a questi imprevisti le sonde sono quindi dotate di piccoli razzi che entrano in funzione per apportare le correzioni di traiettoria od anche durante le operazioni di inserimento in orbita.

Inserimento in orbita

Soprattutto quest'ultima operazione è abbastanza delicata in quanto ogni sonda, nel momento in cui inizierà ad orbitare attorno ad un pianeta, sarà praticamente occultata da esso, rendendo impossibile ogni comunicazione con la Terra 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.

Aerobreaking

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 da essere destinate ad un prosieguo, magari verso altri corpi celesti ed altre destinazioni, così come è successo per le sonde Voyager e Pioneer.

Sonde e missioni spaziali