Il volo spaziale 2
Scritto da Patrizio C. Casiraghi Mercoledì 06 Maggio 2009
Ricapitolando, se vogliamo spedire in orbita un veicolo dobbiamo dotarlo di una velocità (tangenziale) di oltre 26.000 km/h e porlo ad una altezza da terra sufficiente. Ovviamente, raggiunta la quota e la velocità non occorre più l'uso di un propulsore, quindi i razzi vengono spenti ed il veicolo si muoverà solo per inerzia.
Cambiare quota nello spazio non è facile. Tutti i concetti tipici del movimento terrestre sono inutili nello spazio. A dominare è la fisica del moto rotatorio, un pò più complessa e di non facile comprensione. Occorrono complicati calcoli per permettere ad un veicolo di cambiare orbita o direzione e le cose si complicano se il veicolo deve avvicinare (rendez vouz) o agganciare (docking, soft se tramite cavo, hard se fisico) una altro veicolo.
Affermare che un veicolo è entrato in orbita comunque non vuole dire molto. Ci sono diversi tipi di orbite. Dando alla partenza al nostro veicolo una direzione di tot gradi d'inclinazione rispetto all'equatore, avremo che il veicolo orbiterà sopra la Terra senza mai superare i paralleli, positivi e negativi, pari al numero di gradi dell'inclinazione alla partenza. Per esempio se mettiamo un veicolo in orbita a 30° rispetto all'equatore, il veicolo orbiterà sopra la Terra fra le latitudini di +30° e -30° dall'equatore. Se l'inclinazione passa i 90°, il satellite girerà in senso opposto a quello della Terra (ovest-est), chiamato orbita retrograda. Un altro tipo di orbita è quella geosincrona, che si ottiene con un orbita fortemente ellittica che permette al perigeo di passare sempre sopra lo stesso punto della Terra. Infine c'è l'orbita geostazionaria. Essa si trova a 36.000 km dalla Terra. Posizionando un veicolo a questa quota, sopra un punto dell'equatore terrestre ed alla velocità di 26.000 km/h, il veicolo compirà un'orbita completa in 24 ore, quindi resterà fisso sospeso a 36.000 km sopra quel punto.
La natura offre altri spunti interessanti. L'iterazione tra le forze di gravità di due corpi celesti produce delle zone dove l'attrazione gravitazionale s'annulla. Queste zone sono note come Punti Lagrangiani, dal nome dello sfortnato astronomo che li teorizzò (mori' ghigliottinato durante la rivoluzione francese), ma solo due di questi punti sono in grado di garantire stabilità. Riuscire a posizionare un veicolo in uno dei due punti significa che raggiunta la velocità ottimale il veicolo resterà in quella posizione trascinato dalla forza di gravità dei due astri, nel nostro caso la Terra e la Luna.
Volendo procedere oltre, abbiamo la fortuna di possedere un grande satellite naturale, la Luna. Essa è a circa 400.000 km, una distanza di tutto rispetto. Si potrebbe lanciare un veicolo direttamente verso l'astro se vogliamo solo colpirlo, ma per orbitarle intorno od atterrare occorrerebbe una grande quantità di carburante per frenare la caduta. Più semplicemente si preferisce lanciare un veicolo che con una lunga parabola s'avvicini all'astro e si lasci catturare dalla sua forza di gravità. Ovviamente sarà necessario l'uso di propulsori per affinare la traiettoria ed il volo comporta un tempo maggiore, ma in questo modo si risparmia peso e ci sono meno rischi che in un volo diretto. La velocità tangenziale da raggiungere per arrivare sulla Luna è di 40.000 km/h, molto prossima alla Seconda Velocità Cosmica o velocità di fuga dalla Terra.
Ogni massa genera attorno a se un campo gravitazionale. Per riuscire a liberarsi dall'attrazione occorre raggiungere una velocità minima detta appunto velocità di fuga. Oltrepassando la Seconda Velocità Cosmica un veicolo entra in orbita attorno al Sole.
Volendo mandare un veicolo verso un altro corpo celeste, diverso dalla Luna, occorre fare una grande quantità di calcoli. Come per la Luna, un volo diretto è sconsigliabile perché comporterebbe il trasporto di grandi quantità di carburante per frenare il veicolo, quindi ancora una volta si preferisce un lungo e sicuro volo curvo con periodice e brevi accensioni dei propulsori per correggere la rotta se necessario o se previsto. Quando si progettano missioni interplanetarie, occorre prevedere che in prossimità del lancio del veicolo posano sorgere delle complicazioni, quindi si studiano delle rotte alternative per periodi successivi. Questa prassi è valida anche per tutti gli altri tipi d'orbita, se c'è l'esigenza di raggiungere un determinato punto in un determinato momento. I periodi giusti per il lancio dei veicoli sono noti come finestre di lancio. Lanciando il nostro veicolo entro il lasso di tempo della finestra è possibile raggiungere l'obiettivo come previsto o con l'uso di una spinta suplementare dei propulsori del veicolo, fuori dal periodo, ragiungere l'obiettivo è impossibile.
I voli interplanetari sono molto lunghi e per far arrivare un veicolo a destinazione occorre ovviamente fornirgli una grande spinta. Questo si traduce in carburante supplementare da portare a bordo, ma la natura offre una scappatoia interessante giocando proprio con la forza di gravità. Come detto sopra, durante la fase di periastro un veicolo spaziale raggiunge la massima velocità. Facendo catturare il nostro veicolo dalla forza di gravità di un astro ed arrivando con la velocità e la direzione giuste, l'astro catturerà il veicolo tirandolo a se ed aumentandogli la velocità, tanto che quando il veicolo si troverà alla distanza minima avrà raggiunto e superato la velocità di fuga dell'astro. Ovviamente il veicolo, non solo avrà aumentato la velocità, ma avrà anche cambiato la direzione di volo. Questo è l'effetto fionda, o gravity assist, molto usato per i voli interplanetari.
L'idea dell'astronauta che, come un pilota d'aereo, impugna i comandi e guida d'istinto il suo veicolo nello spazio, appartiene solo alla fantascienza. Nessun astronauta impugna i comandi senza aver prima studiato e calcolato un piano di volo da seguire scrupolosamente, ovviamene grazie ad un cervello elettronico per via della quantità e complessità dei calcoli da eseguire, proibitivi per un essere umano. In genere agli astronauti non è richiesto che preparino un piano di volo perché è già stato programato prima di partire. L'uomo pilota comanda il suo veicolo solo nelle fasi di docking, quando i veicoli sono sufficientemente vicini e comunque solo dopo ore ed ore di simulazioni a terra per impratichirsi con le dinamiche del moto circolare nello spazio, e sempre con un occhio agli indicatori d'assetto e velocità. Per il resto del volo, come disse un astronauta, "ai comandi c'è Newton", con le sue leggi sulla gravitazione universale.
