QDC - Luglio - I satelliti artificiali

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01 I quaderni del Campus 05 - Luglio 2011

Tutti coloro che arontano un viaggio hanno bisogno di un vademecum, di

un notes, della bisaccia delle esperienze e delle conoscenze che raccolgono du-

rante l’intero percorso. Le parole denotative, le espressioni connotative, i concetti,

i simboli e i signicati diventano appunti, pensieri che si ammassano in ordine

sparso dentro un contenitore di ortuna. Quando si incontra un altro viandante,

senza orma e senza articolazione logica, quelle parole non riescono ad essere trasmesse, ad

essere scambiate. Non crescono, idee e concetti giacciono pigri, soocati nel disordine di una

sacca. È il dramma della inormazione che non riesce a diventare comunicazione, che non

passa, che non sa essere scambiata e staziona in un archivio in attesa di una sua utilizzazione.“La mia proessione – diceva Ballard – è attraversare rontiere”. Anche la nostra; sebbene

non nascondiamo una preerenza per il concetto gadameriano di orizzonte che lo sguardo

non trattiene, che si sposta dal passante al passo, dal viandante al cammino, vincolo ed op-

portunità della strada, l’irraggiungibile oltre, un limite senza essere limitato, la mèta che at-

trae il passo, il conne che non ha ne, il luogo dei mille passaggi in una parte di mondo.

“L’ intelligenza – scriveva Jean Piaget – organizza il mondo organizzando se stessa”.

Fare una rivista, anche semplicemente comporla, costruirla nella coerenza e nella integrazi-

one delle sue parti, è un modo per organizzare la nostra capacità di intus legere, di leggere

dentro le esperienze del mondo. Fare una rivista scientica, interamente costruita sul con-

ronto critico tra analisti, protagonisti e problemi, poi, signica produrre signicati, dare lin-

a vitale al corpo della realtà, sangue alle membra dei atti ammassati dalla storia. La vita

è una produzione di signicati. La nostra rivista è il luogo in cui questi signicati crescono

e maturano, è uno spazio di comunicazione qualicata sui temi e problemi della comples-

sità sociale che l’accademia universitaria analizza, interpreta, discuta. La nostra rivista è il

luogo in cui l’attività di comunicazione e conronto scientico, che si mostra nei seminari e

nei convegni, si dimostra, prende orma, appare nella sua veste di coerenza epistemologica.

L’ ambizione è di realizzare una rivista che, nei settori di nostra competenza, sia un rieri-

mento per l’alta afdabilità dei suoi contenuti. Per noi è anche una inderogabile esigenza di

mettere ordine in una materia che, in Italia, ha sparso e talvolta disperso contributi signi-cativi nei reticoli della varia editoria. Il suo valore consiste nella opportunità che ore nel

trasormare le esperienze in conoscenze e le conoscenze in proposte, nella capacità che saprà

dimostrare nel tentativo innito di organizzare il mondo organizzando la sua intelligenza.

Alessandro Ceci



Breve storia dei satelliti

.Astronomia .Satelliti

Luglio 2011- 07 I quaderni del Campus 02

I SATELLITI ARTIFICIALI

di Emanuele Maria LatorreEmanuele Maria Latorre si è laureato in Astronomia all’ Università di Bologna discutendo una tesi sulla probabilità d’impatto degli asteroidisulla erra. Ha lavorato nelle Forze Armate come Uciale della Marina. Ha lavorato come programmatore del soware per la determinazioneorbitale nell’ ambito della missione Bepi-Colombo destinata all’ esplorazione del pianeta Mercurio con una borsa di ricerca all’Università diPisa. Ha pubblicato diversi articoli divulgativi sull’ astronomia. Attualmente lavora presso il Campus degli Studi e delle Università di Pomezianel reparto inormatico.

Le origini dei satelliti risalgono ai primi del novecento congli studi dello scienziato russo Konstantin Ciolkovskij. Egliteorizzò gli aspetti ondamentali del volo spaziale, ormulandole basi della moderna astronautica. Le sue ricerche trovaro-no applicazione negli anni successivi con gli esperimenti di Hermann Oberth e Robert Goddard. I due scienziatiriuscirono nell’impresa di lanciare i primi razzi a combustibileliquido; la possibilità di lanciare un satellite nello spazio sirivelò strettamente connessa all’impiego dei razzi. Dopo laseconda guerra mondiale, s’investirono molte risorse nellaricerca spaziale. Questo grande interesse per l’astronauticanascondeva in realtà una vera e propria “corsa allo spazio” chemise di ronte russi ed americani in una gara alla “suprema-zia spaziale”. Inizialmente, grazie al lavoro del russo SergejKorolëv, i sovietici accumularono grandi successi coronati con illancio delprimo satellite articiale nel 1957: lo Sputnik 1.

Venne lanciato il 4 ottobre dal cosmodromo diBaikonur con un razzo della serie R-7. Lo scalpore ela curiosità, insieme alle preoccupazioni militari daparte degli americani nei conronti della tecnologiasovietica, balzarono alla cronaca di radio e V di tutto il mondo.Il satellite russo restò in orbita per 57 giorni eettuandomisurazioni di temperatura e test di telecomunicazioni.Un mese più tardi i sovietici lanciarono lo Sputnik 2, la cuicaratteristica principale u quella di essere il primo satellite conequipaggio: a bordo del satellite russo c’era la cagnolina Laika.Seppur destinata alla morte, la missione non prevedeva il rien-tro a terra dell’ animale, il suo impiego risultò ondamentale peracquisire dati scientici su pressione sanguigna, battiti cardiacie requenza respiratoria.

Probabilmente molti lettori avranno visto in televisione il lancio di un missile, oppure le immagini dello SpaceShuttle nello spazio. Altri invece senza saperlo hanno osservato un punto luminoso, delle dimensioniapparenti di una stella, spostarsi sulla volta celeste. Questi tre enomeni, apparentemente senza nessun legame, hanno in comune lapresenza di una struttura spaziale chiamata satellite articiale. Con questo termine si indica una qualunque massamateriale, con o senza equipaggio, che sia stata lanciata dall’uomo nello spazio per scopi scientici e tecnologici.Il primo satellite articiale è stato lo Sputnik 1, lanciato dall’Unione Sovietica il 4 ottobre del 1957. Oggi i satelliti articialihanno assunto un ruolo importante nella nostra vita ornendoci diversi servizi: V, radio, internet, previsioni meteorologiche,osservazioni astronomiche, telerilevamento, sono solo alcuni degli aspetti legati a questi dispositivi che orbitano nello spazio.

Introduzione





Grazie a questi dati iniziarono gli studi per permettere all’uomodi colonizzare lo spazio.Il programma Sputnik andò avanti negli anni successivi conaltri lanci a numerosi successi scientici. Dall’ altra partegli americani, guidati dallo scienziato tedesco Wernher vonBraun, risposero ai russi con la costruzione dei satelliti dellaserie Explorer, grazie ai quali ottennero importanti datiscientici, tra i più importanti, la scoperta delle Fasce diVan Allen, una zona di particelle cariche imprigionate dalcampo magnetico terrestre. Negli anni sessanta la tecnologiaastronautica era sucientemente matura per permettere il voloumano. Il 12 aprile 1961, venne lanciato il satellite (navicella)Vostok 1, con a bordo il primo astronauta sovietico (i russipreerivano la dicitura cosmonauta) della storia: Jurij Gagarin.La prima donna astronauta u ancora una volta sovietica:Valentina ereškova. Il 16 giugno 1963 venne lanciata nellospazio a bordo del satellite Vostok 6. La scontta americana perquest’ altro successo russo portava con sé anche l’immaginedell’ emancipazione emminile sovietica, non a caso vennesruttata dal regime comunista per ni propagandistici.uttavia, gli americani non rimasero alla nestra. Ilprogramma Apollo, capeggiato dallo scienziato von Braun,raggiunse un successo tale da portare gli Stati Uniti sulgradino più alto del podio spaziale. Il programma inatti,riuscì nell’impresa storica di portare l’uomo sulla Luna. Lamissione Apollo 11 (del progetto Apollo), con a bordo gliastronauti Armstrong, Aldrin e Collins, è stata la primamissione con sbarco di astronauti sulla supercie lunare. Allabase di questo triono, l’ intuito geniale di von Braun: egli siaccorse dell’importanza di costruire razzi multistadio chepermettessero di alleggerire i vettori spaziali sganciando di

volta in volta i serbatoi di carburante combusto.Gli anni settanta e ottanta si concentrarono sulla costruzionedi grandi satelliti, vere e proprie basi spaziali, come lo Skylab americano e la MIR russa. Gli Stati Uniti svilupparono nellostesso periodo anche il programma Shuttle, un sistema di lan-cio (navetta) riutilizzabile. Seppur accompagnato da tragichemissioni (Challenger e Columbia) che comportarono la mortedi astronauti, le ricadute tecnologiche delle missioni Shuttlehanno migliorato il nostro stile di vita in diversi campi dellaricerca e dei materiali. L’ultima missione Shuttle è prevista pergiugno 2011. Attualmente gli sorzi congiunti delle agenziespaziali confuiscono nella costruzione della Stazione

Spaziale Internazionale che ha sancito la ne dellacompetizione spaziale tra paesi politicamente diversi.La nuova base spaziale è uno strumento di collaborazioneinternazionale di molti paesi impegnati nello sviluppo dinuove tecnologie. Oggi il numero dei satelliti in orbita,intorno al nostro pianeta, raggiunge l’ ordine delle migliaia diunità, ognuno con la propria strumentazione al servizio dell’uomo. Essi vengono impiegati in molteplici contesti: sicurezza,ricognizione, ambiente, ricerca ed altro. (1)

(1) Lo Campo A., SORIA DELL’ASRONAUICA, L’ Airone Editrice, Roma, 2000



Il motivo del successo dei satelliti articiali è legato allapochissima manutenzione richiesta quando si trovano nellospazio, sia dal punto di vista della strumentazione di bordoe dell’ alimentazione elettrica dei loro apparati, sia per il loroorientamento rispetto alle stazioni riceventi a terra. Sonocostruiti per operare al massimo qualche anno, prima che sianoabbandonati nello spazio, perché gli alti costi per eventualiriparazioni in orbita (peraltro dicili da apportare) e pereettuare modiche alla strumentazione di bordo nelimitano il loro tempo di utilizzo. Purtroppo solo in particolaricondizioni si può intervenire in orbita per riparare un satellite.

Per quanto siano accurate le procedure di controllo alle quali èsottoposto un satellite, può succedere che, nel corso della loroattività nello spazio, si verichino delle avarie (elettriche,strumentali, meccaniche, termiche) che possono comportare ilallimento della missione per la quale è stato costruito.I satelliti articiali sono progettati in base al tipo di orbita sullaquale dovranno operare. uttavia, tutti i satelliti presentanodelle caratteristiche costruttive comuni. Un satellite articialeè costituito da due parti principali: la piattaforma (platorm) eil carico utile (payload).La piattaorma comprende i seguenti elementi costitutivi:- struttura;- alimentazione elettrica;- controllo dell’ orbita;- controllo termico;- equipaggiamento propulsivo;- controllo dell’ assetto ed equipaggiamento di guida;- telemetria.

Struttura. È l’interaccia meccanica con il veicolo di lancio. Peresempio, l’interaccia per il collegamento del satellite con ilbraccio meccanico dello Space Shuttle è un tipico esempio distruttura come anche le interacce per l’aggancio dei modulidella Stazione Spaziale Internazionale.

Alimentazione elettrica. Comprende i supporti destinati all’ erogazione dell’ elettricitànecessaria al unzionamento degli apparati del satellite.I pannelli solari, caratteristici di molti satelliti, sono montatisu bracci pieghevoli e disposti solitamente di lato al satelliteorniscono circa il 10-15% dell’energia. Le batterie ricarica-bili invece, sviluppano il resto dell’ energia necessaria. Esseintervengono ad esempio quando il satellite transita nel conod’ ombra generato dal nostro pianeta. In questa situazione,i pannelli non ricevono la luce del Sole e di conseguenza ènecessario l’intervento delle batterie per produrre energia alservizio del satellite.


Inne, il sistema di distribuzione dell’ energia elettrica suddi- vide correttamente il consumo dell’ energia sugli impianti delsatellite.

Il controllo dell’ orbita viene delegato ai dispositivi dipuntamento, sensori e giroscopi, il cui compito è quello dicontrollare l’orbita del satellite intervenendo con manovrecorrettive quando è necessario. Inatti, nel moto orbitale di unsatellite, le perturbazioni causate da diversi attori (descrittipiù avanti) modiicano la traiettoria operativa del satellite.

Il controllo termico viene realizzato per mezzo diisolanti termici, radiatori e riscaldatori, per mantenere ilsatellite e i suoi componenti in un determinato intervallo ditemperature vitali per il unzionamento delle apparecchiaturedi bordo. L’ assorbimento della radiazione del Sole e la dis-sipazione del calore sviluppato dalla strumentazione, sono iattori che incidono maggiormente sulle variazioni termichedel satellite. Un metodo intelligente per impedire sbalzi ditemperature sul satellite è quello di metterlo in rotazionesu sé stesso. In questo modo, la radiazione del Sole investeuniormemente il satellite perché la rotazione permette diesporre alla luce solare tutte le acce del satellite ad intervalli ditempo costanti. In questo modo si riduce il rischio di riscaldareoltremisura il satellite sulla parte esposta al Sole e l’ ecces-sivo rareddamento sulla parte opposta. Quando il satellite sitrova nel cono d’ ombra della erra, la temperatura del satel-lite diminuisce e i riscaldatori intervengono per ripristinare lagiusta temperatura per il unzionamento degli apparati, mentrei radiatori operano nel senso opposto, cioè quando è necessa-rio smaltire l’ eccessivocalore sviluppato dalle apparecchiatureelettriche di bordo.Dato l’ ampio intervallo di temperature con cui lavorano isatelliti, basti pensare che l’ escursione termica varia in media da-150 a +150 [°C], si comprende quanto sia importante un costantecontrollo termico del satellite, sia per la temperatura di lavorodegli apparati interni, sia per la struttura eterna sottoposta incerti casi a tempeste solari in grado di compromettere la vitastrumentale del satellite.

L’ equipaggiamento propulsivo è costituito da uno opiù motori principali e da un certo numero di piccoli razzidestinati alle manovre correttive richieste dai sensori. Laquantità di carburante per eettuare queste manovre èminima perché imprimendo una determinata velocità alsatellite, che dipende dall’orbita per la quale sarà impiegato,non è necessaria nessuna spinta supplementare permantenerlo stabile, a meno di casi particolari.


Componenti di un satellite





Un altro motivo che limita la quantità di carburante concerne ledimensioni dei serbatoi e il peso del satellite; quanto più

grande è la struttura del satellite che vogliamo costruire,tanto più grande sarà il missile utilizzato per il trasporto delsatellite nello spazio. Il compito dei motori principali è quellod’intervenire in situazioni di emergenza o nelle attività in vistadel raggiungimento dell’ orbita prevista (a partire dall’ orbitadi parcheggio).

Controllo dell’ assetto.Per orientare e stabilizzare un satellite nella giusta direziones’impiegano sensori specici che costituiscono gli apparatiper il controllo dell’ assetto. Un tipico esempio, sono i sensoristellari. Questi dispositivi permettono di orientare il satellite

rispetto ad un certo numero di stelle di cui si conoscono lecoordinate. Quest’ ultime sono il sistema di rierimento delsatellite. Un altro esempio di sensore sono i giroscopi.I giroscopi magnetici, per esempio, utilizzano il magnetismoterrestre per orientare il satellite.

L’ equipaggiamento di guida e telemetria rap-presenta tutta la strumentazione in grado di comunicare conle stazioni riceventi i segnali emessi dal satellite sulla erra.Antenne e computer di bordo si occupano di elaborare,ricevere, inviare e crittograare i dati di comunicazione tra ilsatellite e le stazioni radar sulla supercie terrestre.

Il carico utile, a dierenza della piattaorma, è la parte attivadi un satellite. Esso è costituito dalla strumentazione in gradodi eettuare un certo tipo di servizio per il quale è stato pro-gettato il satellite. Macchine otograche, rilevatori, telescopi,radiometri, contatori, spettrometri, trasmettitori sono soloalcuni esempi di cosa è possibile installare in queste scatolespaziali. Per esempio, un satellite astronomico sarà munito diun carico utile rappresentato da un telescopio sensibile ad unparticolare intervallo di radiazioni elettromagnetiche. Quindiavremo satelliti per lo studio della radiazione radio, inrarossa,

visibile, ecc. Un altro esempio di carico utile è rappresentato dairadiometri installati sui satelliti meteorologici. I radiometrisono strumenti sensibili alla radiazione visibile e termica

in particolari intervalli di lunghezza d’ onda. I satelliti per iltelerilevamento hanno un carico utile costituito daparticolari rilevatori che registrano diverse tipologie di dati.Posizione delle nubi, quantità di vapore acqueo, indici di

vegetazione, evaporazione degli oceani ecc.Anche gli apparati per il calcolo della posizione di unpunto della supercie terrestre (satelliti GPS) sono unesempio di carico utile. Fin dagli inizi dell’ era satelli-tare, l’uomo ha cercato di migliorare la tecnologia di questidispositivi montati sui satelliti. Oggi possiamo impiegaretecnologie avanzatissime a bordo dei satelliti per i servizi piùdisparati traendone grandi beneci. (2)

(2) James R. Wertz and Wiley J. Larson, SPACE MISSION ANALYSIS AND DE-SIGN, Tird Edition, Microcosm and Kluwer, 1999

I satelliti artiiciali vengono traseriti nello spazioattraverso un missile il cui compito è quello di assicurareil raggiungimento di una certa velocità orbitale che per-metta al satellite l’inserimento nell’ orbita desiderata. Negliultimi anni, lo Space Shuttle e il razzo europeo Ariane sonostati tra i mezzi di trasporto più impiegati per il lancio disatelliti. Questo compromesso è stata una scelta obbligataper risparmiare sui costi di lancio perché si tratta di strut-ture spaziali riutilizzabili e quindi meno costose. Per com-prendere come avviene l’ inserimento in orbita acciamouso dell’espressione matematica con cui ricavare la velocitàorbitale del satellite; la seconda legge di Newton:

dove F è la orza di attrazione gravitazionale esercitatadalla erra sul satellite. Questa orza è quella che bisognacontrastare ainché il satellite possa orbitare senzaprecipitare sulla supericie terrestre.L’ espressione matematica della orza F è:

dove G è la costante della gravitazione universale, il cui valore è

è la massa della erra il cui valore è

è la massa del satellite e d è la distanza del satelliterispetto al centro della erra. L’ accelerazione dell’ equazi-one (1) è l’accelerazione centripeta , dove v è la

velocità del satellite.

Sostituendo nell’ equazione (1) l’espressione della orza diattrazione gravitazionale F e dell’ accelerazione centripeta a si ha:

Il termine prende il nome di orza centriuga.Questa orza è quella che deve contrastare la orza diattrazione gravitazionale F. Quando la orza di attrazionegravitazionale e la orza centriuga si equivalgono tradi loro, il satellite non risente di nessuna delle due orzeperché i loro contributi si annullano reciprocamente e inqueste condizioni il satellite orbita senza mai precipitare sullaerra. Il satellite è in equilibrio e si muove su di un’ ellisse in di-rezione perpendicolare alla direzione del raggio terrestre e la

sua velocità è tangente in ogni punto dell’ orbita.

L’inserimento in orbita




Per calcolare tale velocità è suiciente sempliicarel’ equazione (2) da cui si ricava che:

Una volta stabilita la distanza sulla quale vogliamocollocare un satellite, resta da determinare la velocitàadeguata per questa quota, cioè calcolare la velocità necessariain modo che la orza centriuga eguagli esattamente la orza diattrazione gravitazionale per permettere al satellite dimuoversi intorno alla erra senza precipitare. Facciamo unesempio. Consideriamo un satellite per il telerilevamentocollocato ad una distanza di 800 [Km] sulla supercieterrestre. Allora l’altezza d = 800 [Km] più il raggio dellaerra (circa 6378 [Km]). Quindi d = 800 + 6378 = 7180 [Km].Sostituendo G, d, e nell’ equazione (3) ricaviamo il

valore della velocità pari a 26800 [Km]. Questa velocità èla necessaria velocità per collocare il nostro satellite per iltelerilevamento ad una quota di 800 [Km] intorno alla er-ra su di un’ orbita circolare. L’ equazione (3) ci dice ancheche la massa del satellite non interviene nel problemadell’inserimento in orbita. Questo signica che, almeno inteoria, si potrebbe costruire un satellite senza preoccuparsi

della sua massa; potremmo quindi installare sul satellite tuttala strumentazione possibile senza problemi di dimensioni. Inrealtà però, quanto più grande è la massa di un satellite, mag-giore è la spinta che dovranno imprimere i motori del mis-sile per vincere la orza peso di tutta la struttura (missile piùsatellite) sulla rampa di lancio. Ad un certo punto, accade chel’ aumento delle prestazioni del missile non bilanciano i costiper la sua costruzione. Questo signica che la produzione diun satellite articiale è possibile quando si riesce a soddisareuna “piccola” condizione: quella di orire un servizioche soddis le aziende produttrici e che non superi i costi perla sua realizzazione! (3) (3)Halliday Resnick Krane, FISICA I, LC, 2004

Il moto di un satellite si può descrivere avvalendosi delletre leggi di Kepler. L’ astronomo tedesco, sulla base delleosservazioni astronomiche del collega ycho Brahe, elaboròun modello matematico per descrivere il moto dei corpicelesti sulla base di tre leggi matematiche. Esse aermanoche:• i pianeti si muovono su orbite ellittiche in cui il Soleoccupa uno dei due uochi;• la congiungente Sole-pianeta descrive aree uguali intempi uguali;

• il quadrato del periodo di rivoluzione di un pianetaintorno al Sole è proporzionale al cubo del semiassemaggiore dell’ ellisse percorsa.Queste tre leggi si applicano anche ai satelliti artiicia-li, considerando la erra al posto del Sole e il satellite alposto del pianeta. Molti satelliti percorrono orbitecircolari; sono sempre orbite ellittiche ma con i due uochicoincidenti. In realtà però, il moto di un satellite non èperettamente ellittico o circlare, ma è governato da unaserie di attori che disturbano il suo moto e di cui bisognatenerne conto: le perturbazioni. Il loro eetto è quello dicambiare la posizione e la velocità del satellite.Di conseguenza, il satellite non percorre più l’orbitastabilita, ma se ne discosta di una quantità che dipendedall’ eetto combinato di tutte le perturbazioni alle qua-li è sottoposto. Il satellite percorre una traiettoria cor-rispondente ad una certa curva che se ne guarda benedall’ essere un’ ellisse o una circonerenza! Le pertur-bazioni possono ar precipitare il satellite sulla superi-cie terrestre, ma applicando opportune correzioni, me-diante l’utilizzo di piccoli razzi ausiliari a bordo delsatellite, si riesce a contrastare l’ eetto delle perturbazioni,consentendo al satellite di percorrere l’ orbita desideratasenza che quest’ultimo se ne discosti di una quantità taleda compromettere la sua attività operativa. Per questo i

centri di controllo missione calcolano, giorno per giorno,gli eetti perturbativi avvalendosi di complessi algoritmicon i quali si riescono a calcolare l’eettiva posizione e

velocità del satellite. La teoria delle perturbazioni è allabase di questi calcoli la cui esposizione esula dagli scopi diquesta trattazione.Le principali perturbazioni sono:• l’ attrazione gravitazionale del Sole e della Luna;

• la non perfetta sfericità della Terra;

• l’ attrito dell’ atmosfera terrestre;

• la pressione della radiazione solare.


Il moto di un satellite





I satelliti sono esposti anche all’infuenza dell’ ambiente ter-restre intorno alla erra. Un luogo dove avvengono partico-lari enomeni che possono rappresentare un serio pericoloper gli apparati di bordo dei veicoli spaziali e per la vita degliastronauti impegnati in attività di manutenzione in orbita.I principali elementi che infuenzano i satelliti nel-l’ ambiente terrestre sono la termosera, i campi gravitazionaleemagnetico, i detriti spaziali e gli eetti perturbativi della Luna.Ognuno di essi si caratterizza con la propria enomenologiae col tipo d’inluenza che hanno sulle navicelle spaziali.

Termosfera. La termosera è una regione dell’atmosera

terrestre che si estende tra i 90 e i 600 [Km] rispetto allasupericie della erra. La termosera è composta da par-ticelle di ossigeno, elio ed idrogeno, disposte in strati inunzione della loro massa. In generale, quanto più grande èla massa di una sostanza atmoserica, tanto più tende a col-locarsi negli strati atmoserici più bassi (rispetto alla super-icie terrestre)perché risente maggiormente dell’inluenzagravitazionale terrestre. Quest’ultima predomina rispettoall’ agitazione termica del gas; il enomeno che tende adespandere il gas atmoserico al di uori dell’atmoseraterrestre disperdendolo nello spazio.Nella bassa termosera è presente il gas più pesante ed

abbondante di quest’area, l’ ossigeno.Nell’ alta termosera invece sono presenti idrogeno ed elio,due sostanze con massa ineriore rispetto all’ ossigeno chesi concentrano intorno ai 600 [Km].È importante chiarire che i valori che delimitano questaregione di atmosera non sono in realtà così deiniti. Ingenerale, a causa delle caratteristiche gassose dell’atmoserastessa, non è possibile stabilire una quota di conineunivoca con la quale rappresentare zone di atmosera incui avvengono certi comportamenti isici. L’ atmoseraterrestre è un sistema dinamico complesso e legrandezze termodinamiche con le quali si descrive il suo

stato isico cambiano continuamente. Questo signiica chenon è possibile delineare intervalli di quote univoche perdescrivere i enomeni atmoserici. Se si pensa alle

variazioni di volume, pressione e temperatura nellediverse zone atmoseriche, o all’intensità dei venti e ailussi di aria calda e redda, si può comprendere come cambicontinuamente il comportamento del gas e quello dellearee interessate da particolari enomeni che avvengonoall’interno. Nel caso della termosera, i valori di 90 e 600[Km], rappresentano soltanto i conini più adeguati, inbase all’ esperienza osservativa, con i quali si delimita unazona dell’ atmosera terrestre dove avvengono un insiemedi enomeni naturali.

L’ influenza dell’ambiente terrestre

sui satelliti

A quote superiori ai 1600 [Km] incominciano a arsi sentiregli eetti perturbativi del Sole e della Luna sul satellite, ilcui mutuo eetto è quello di cambiarne l’ orbita. E’ comese il satellite risentisse di una orza di richiamo che lo at-trae verso il Sole e verso la Luna. Il secondo eetto dipendedalla orma della erra. Quest’ultima non è una seraperetta ma in realtà un geoide; ossia una supericieellissoidale ottenuta considerando il livello medio dei mari.Questa particolare orma della erra perturba l’ orbitapercorsa da un satellite acendogli descrivere un’orbita chericorda la orma di una rosetta. Il terzo eetto è legatoalla presenza dell’atmosera terrestre. Il gas atmoserico,seppure rareatto alle distanze alle quali orbitano isatelliti, costituisce un ostacolo il cui eetto è quello di arperdere quota al satellite a causa della dissipazione di calore(quindi di energia) per attrito del satellite con l’aria. Più ilsatellite è vicino alla supericie terrestre, maggiore è ladensità dell’ atmosera e quindi maggiore sarà l’ attritotra il satellite e il gas atmoserico. Se non si intervienecon l’ausilio di piccoli razzi a bordo del satellite, il cuicompito è quello di riportarlo in quota, il satelliteprecipita sulla supericie terrestre percorrendo una traiet-

toria a spirale.L’ ultimo eetto è legato all’ attività del Sole. Il lussodella radiazione solare esercita una orza sulle pareti delsatellite il cui eetto è quello di deviarlo dall’orbita iniziale.Nel corso dell’anno, si veriicano sul Sole particolarienomeni noti come tempeste solari. Si tratta di lussiintensi di particelle che possono causare danni irreversibilisulla strumentazione del satellite.Per risolvere questo problema i tecnici a terra prendonodelle precauzioni. Una di queste consiste nello spegnerela strumentazione del satellite per impedire alle parti-celle cariche del Sole di intererire elettricamente con gli

apparati di bordo. A volte vengono ripiegati anche i pannel-li solari per proteggere le celle da micro impatti di carica.





del campo gravitazionale terrestre e degli eetti cheesso comportava sul moto dei satelliti. Le conoscenze

odierne si sono notevolmente evolute; oggi si è in grado dideterminare la distribuzione e l’ intensità del campogravitazionale della erra con buona accuratezza. Lamateria terrestre è distribuita in strati: nucleo, mantello ecrosta. Essi generano un campo di gravità che si maniestaattraverso una orza di richiamo, il cui eetto, è quello diattrarre verso di sé (in direzione del centro di massa dellaerra) tutti i corpi: la Luna, le particelle dell’ atmosera, gliesseri viventi, gli ediici terrestri, ecc.Il campo gravitazionale terrestre non è uniorme; essopresenta discontinuità che dipendono da come si èdistribuita la massa della erra in dall’ epoca della sua

ormazione. I satelliti risentono del campo gravitazionedella erra e determinare con accuratezza l’ andamento diquesto campo è una parte critica nella ase di pianiicazionedi una missione spaziale, perché le variazioni incidono sulmoto dei satelliti deviandone la traiettoria.Le deviazioni orbitali causate dalle anomalie gravitazionalidella erra si rilettono anche sulla pianiicazione dellatelemetria, dell’inseguimento e delle comunicazioni delsatellite con i centri di controllo a terra. Il geoide terrestre, è ilrisultato dell’azione della orza centriuga generatadalla rotazione della erra che ne ha modellato la orma,schiacciandola ai poli e allungandola all’ equatore. Inparticolare, lo schiacciamento dei poli terrestri, a sì che isatelliti cambino la loro traiettoria spostandoli verso oveste conerendo al piano dell’orbita un moto angolare diprecessione retrogrado. Queste considerazioni rivestono unruolo importante per i modelli matematici impiegati nellapianiicazione dei progetti spaziali. Campo magnetico. Ilcampo magnetico terrestre inluenza ortemente l’ambientedella erra e dello spazio. Esso interviene su diversienomeni: intrappola le particelle cariche di altaenergia, regola il moto dei plasmi e delle correnti elettriche. Ilcampo magnetico della erra proviene da due attorinaturali. Il maggiore contributo (circa il 99%) è dovutoalle correnti elettriche delle particelle presenti all’interno

della erra; il loro moto genera un campo magnetico che sipropaga in sulla supericie terrestre. Il secondo con-tributo è dovuto alle correnti elettriche presenti nellamagnetosera, la regione più esterna dell’atmosera terrestredove il campo magnetico terrestre intrappola le particellealtamente energetiche che provengono dal Sole e da regioniremote della galassia. Il moto delle particelle cariche in uncampo magnetico segue delle traiettorie elicoidali che siavvolgono su cilindri immaginari i cui assi sono le linee diorza del campo. Le particelle non collidono direttamentesulla supericie terrestre ma vengono catturate dal campo.È importante sottolineare il atto che i campi magnetici,

insieme ai campi elettrici, sono alla base dei enomeni

La presenza dell’ ossigeno atomico nella termosera,inluisce sul comportamento dei satelliti artiiciali

provocandone un abbassamento della quota orbitale euna riduzione del tempo vita, un tempo che indica lainestra temporale prevista per il unzionamento di unsatellite. L’ ossigeno termoserico agisce da orza renanteche, se non contrastata, provoca la caduta di un satellite sullaerra con una traiettoria a spirale. La maggioreconcentrazione dell’ ossigeno termoserico si registra trai 200 [Km] e i 400 [Km]. Per sopperire alle variazioni diquota, a causa delle sostanze presenti nellatermosera, vengono installati sui veicoli spaziali piccolirazzi ausiliari. All’interno di essi vi è un propellente cheproduce (attraverso la combustione) una orza indirezione opposta alla direzione della orza renante dovuta

ai composti della termosera. Grazie ai razzi ausiliariil veicolo spaziale riceve la spinta necessaria per ri-tornare sulla quota stabilita e la sua attività operativariprende indisturbata ino a quando l’eetto renantedell’ atmosera non abbassa nuovamente la quota nomi-nale del satellite. Probabilmente molti lettori avran-no sentito parlare dei cosiddetti satelliti “usa e getta”.Sono satelliti, per lo più di provenienza militare,impiegati a basse quote per attività di monitoraggio dellasupericie terrestre.L’ elevata concentrazione del gas atmoserico nella zonain cui operano, comporta l’ eettuazione di ripetutemanovre per ristabilire l’ orbita nominale di questi satelliti.Se si pensa che la quantità di propellente per le manovreè limitata da attori economici e logistici, il tempo vitadi questi satelliti usa e getta è molto limitato. Di qui illoro nome. La temperatura della termosera insieme alladensità ed alla composizione del gas in questa zona, sono letre grandezze maggiormente inluenzate dall’ attivitàsolare connessa all’assorbimento dei raggi ultraviolet-ti (emessi dal Sole) da parte del gas termoserico. Questiraggi altamente energetici ionizzano il gas della termosera(enomeno che consiste nella perdita di uno o più elettroninegli atomi che costituiscono il gas) rendendolo non piùneutro ma carico elettricamente.Gli atomi di questo gas ionizzato impattano sullepareti dei veicoli spaziali sprigionando energia

suiciente per alterare chimicamente le strutture deisatelliti. I pannelli solari possono risentire di un improvvisoaumento di energia nei punti in cui si generano gli impattial punto da compromettere il unzionamento delle celle deipannelli solari dalla quale i satelliti attingono partedell’ energia necessaria per il loro unzionamento.Sono noti casi di avarie, nel sistema sotware dei satelliti,causati da segnali di errore dovuti alla saturazione improv-

visa delle celle dei pannelli solari causate da queste colli-sioni.Campo gravitazionale terrestre. Fin dall’ avvento deisatelliti artiiciali si era a conoscenza delle discontinuità





Nelle orbite ad alta quota, come quelle dei satellitigeostazionari, l’ atmosera è più rareatta e i satelliti non più

unzionanti restano vagabondi cosmici per molto tempo.I problemi legati alla presenza dei detriti spaziali sonoessenzialmente due. Il primo implica la possibilità di collisio-ni dei detriti spaziali con i satelliti operativi; le velocità con lequali orbitano i satelliti e i detriti sono molto elevate (migliaiadi [Km/h]) ed un eventuale impatto libera molta energia pro-

vocando seri danni alle strutture dei satelliti. Questo possibilescenario si è già trasormato in realtà quando un satelliterancese ha colliso con un pezzo del lanciatore Arianeprovocando danni strutturali ed una cambiamento dell’ orbitadel satellite. Anche lo Space Shuttle è vittima di questidetriti spaziali. Per limitare i danni provenienti dagliimpatti (molto requenti durante le missioni) la navetta

viene ruotata di 90° in modo che la pancia dello Shuttleaccia da scudo contro i detriti. uttavia, anche altre parti delloShuttle sono vittime di crateri d’ impatto dovuti ai rammentispaziali. Prima di essere nuovamente impiegata la navetta vieneriparata e le parti meccaniche danneggiate dalle collisioni ven-gono sostituite.Il secondo problema è che questi detriti manmano che vengono rilasciati occupano delle orbite intorno allaerra proprio come accade per i satelliti, impedendo pertantola possibilità d’inserirne dei nuovi in prossimità di queste or-bite. Questo perché a causa delle perturbazioni gravitazionali ipezzi dei detriti spaziali sono soggetti a variazioni delle proprieorbite; essi cambiano quota, inclinazione e velocità. I detriti

costituiscono un serio pericolo perché, vagando nello spaziointorno alla erra privi di controllo, costituiscono una minac-cia per i veicoli spaziali. Negli ultimi anni è in corso una intensaattività di localizzazione e catalogazione dei detriti spazialiattraverso speciche campagne di monitoraggio. Oggi siconoscono le orbite di migliaia di rammenti orbitanti intornoalla erra e le tecniche per individuarli si evolvono perassicurare la catalogazione di un numero sempre maggiore diquesti oggetti.Oltre all’ individuazione c’ è anche uno studio nalizzato alladeterminazione delle evoluzioni orbitali causate daglieetti perturbativi della erra. Particolare importanza

rivestono i propagatori orbitali, soware specici che calcolanole posizioni uture di questi oggetti nel tempo.I “cacciatori” di rammenti spaziali lavorano per migliora-re i modelli gravitazionali e perturbativi a cui obbedisconoquesti oggetti e soprattutto per conoscere l’ entità dei danni, siameccanici che dinamici, quando i rammenti collidono con i

veicoli spaziali, liberando altri detriti. Oggi si presta moltaattenzione a questi oggetti in vista della costruzione dellaStazione Spaziale Internazionale, il complesso orbitantedestinato a ricerche scientiche e tecnologiche. L’ individua-zione precisa della “spazzatura cosmica”, presente nei dintornidella Stazione Spaziale, eviterà seri problemi che potranno

elettromagnetici che osserviamo in natura.Le oscillazioni di questi due campi generano delle onde, le

onde elettromagnetiche che permeano l’universo. Laluce del Sole, i raggi X, gamma, le onde radio sono ondeelettromagnetiche generate dall’interazione di campielettrici e magnetici. L’insieme di queste onde costituiscelo spettro elettromagnetico della radiazione. La presenzadel campo magnetico inluenza le strutture dei satelliti.Le particelle cariche (provenienti dal Sole e dalla galassia)intrappolate dal campo magnetico terrestre, intera-giscono con i satelliti articiali producendo collisioni chepossono determinare avarie con la strumentazione dibordo. Quest’ultima è la parte più delicata che risentemaggiormente di questo enomeno e gli apparati di cui

è composta possono essere seriamente danneggiati. Perimpedire intererenze dovute alle collisioni di questeparticelle, soprattutto durante le tempeste solari (enomenoconnesso ad una intensa attività solare che di tanto in tantobombarda l’atmosera terrestre con un lusso di particellecariche emesse dal Sole), la strumentazione di bordo deisatelliti viene disattivata. In questi casi il unzionamentodei satelliti è interdetto ino a quando le tempeste solarinon diminuiscono d’intensità. Detriti spaziali. Fin dallancio del primo satellite artiiciale lo spazio intorno allaerra ha iniziato a popolarsi di detriti spaziali. Con questotermine si indicano in generale:• tutti gli “scarti” che si accumulano durante le fasi dilancio di un veicolo spaziale;• i satelliti non più operativi;• gli oggetti abbandonati nel corso delle attivitàextraveicolari degli astronauti.Quando un razzo inserisce in orbita un satellite rilascianello spazio le sue parti non più utilizzabili. Un razzo ècostituito da componenti (stadi) contenenti il propellenteimpiegato per ornire la spinta necessaria per collocareun satellite nello spazio. Man mano che il carburantediminuisce (a causa della combustione), gli stadi che locontengono vengono espulsi per alleggerire la struttu-ra che ospita il satellite. L’ espulsione degli stadi di un

razzo avviene mediante l’innesco di particolari congegniche rilasciano nello spazio perni e bulloni (impiegati peril collegamento degli stadi dei razzi) ed insieme agli stadiabbandonati, costituiscono una parte dei detriti spaziali.Insieme a questi residui cosmici, si aggiungono i satellitistessi. Al termine della loro vita operativa, nella maggiorparte dei casi non superano i cinque anni, i satelliti arti-iciali restano orbitanti intorno alla erra per un tempoche dipende dalla quota sulla quale sono stati collocati.Se la densità dell’atmosera nelle zone interessate dallapresenza dei satelliti è consistente, essa provvederà alladistruzione degli stessi (per attrito con l’ atmosera) du-

rante la loro caduta sulla erra.





sorvolare le calotte polari. Quindi l’ inclinazione dell’ orbita saràdi 90°. Quanto all’ altezza, essa dovrà essere un’ orbita L.E.O.

per permettere di otograare da distanza ravvicinata gli stratiatmoserici dei poli oltre che permettere la misura di certe gran-dezze siche, come ad esempio la temperatura, variazioni del-lo spessore atmoserico, l’estensione delle nevi e dei ghiacciai,l’ analisi del moto dei sistemi nuvolosi ecc. Anche i satelliti mili-tari del tipo “spia” operano su orbite L.E.O. a circa 650 [Km]di altezza sulla supercie terrestre. Essi sono muniti di potentisistemi ottici rifettori e di sosticate macchine otogracheper lo studio di particolari aree geograche, come ad esempioquelle interessate da confitti bellici. Il loro impiego è nalizzatoallo spionaggio elettronico, ottico e radar. Un’ altra categoria disatelliti con orbita polare è quella dei satelliti per il telerileva-mento. La loro inclinazione è di 98°.Questo valore a sì che questo tipo di satellite siaeliosincrono rispetto al piano dell’equatore terrestre, cioè ilsatellite sorvola una data latitudine sempre alla stessa ora. Leorbite eliosincrone sono utili per i satelliti che otograanoquotidianamente determinate aree del pianeta, sempre nellestesse condizioni di illuminazione. Le orbite M.E.O. sonoutilizzate principalmente da satelliti impiegati in servizi dinavigazione e telecomunicazione, ad esempio i GPS(Global Position System). Questi satelliti compionoun’ orbita intorno alla erra in 12 ore emettendo costantementeun segnale. Quest’ ultimo viene captato dai ricevitori instal-lati a bordo di aerei e navi che orniscono la loro posizione

con un’ approssimazione di qualche metro. Le orbite G.E.O.permettono al satellite di ruotare con la stessa velocitàangolare della erra, quindi compiono un giro completointorno alla erra nello stesso tempo in cui la erra compie ungiro completo intorno al proprio asse, cioè in 24 ore. Questosignica che la posizione relativa del satellite, rispetto allasupercie del pianeta, resta costante. I satelliti televisivi e quellimeteorologici popolano questo tipo di orbita. Il motivoprincipale è legato allo loro posizione che resta sempre la stes-sa su una determinata area, consentendo rispettivamente diinviare costantemente i segnali televisivi sull’area interessata edi monitorare quotidianamente un’ area geograca sullo stato

della copertura nuvolosa. Un’ ultima categoria di orbite sonoquelle impiegate dalle sonde spaziali interplanetarie. Molti let-tori ricorderanno le amose sonde lunari che permisero, graziead un’ accurata cartograa e all’analisi delle caratteristiche -siche, chimiche e geologiche, lo sbarco sulla Luna. La ricadutatecnologica di quelle esplorazioni comportò notevoli svilup-pi in tutti i campi della ricerca e nella nostra vita quotidiana.Basti pensare ai computer, ai materiali per l’ edilizia, ai tessuti,ai prodotti chimici, alle tecniche di conservazione alimentareecc. Meritano di essere ricordate anche le sonde Voyager I e IIche rivoluzionarono lo studio della planetologia rivelandocimondi nuovi con caratteristiche bizzarre e comportamentisorprendenti, oltre a arci comprendere alcuni aspetti legati

alla ormazione del sistema solare e alla nascita dellavita sulla erra.

vericarsi a causa degli impatti con le strutture deimoduli abitativi dove sono impiegati gli astronauti. Purtroppo

il “soccorso spaziale” è molto dicile da realizzare, sia percosti proibitivi, sia per problemi logistici intrinseci delsoccorso stesso. Pertanto la possibilità di preservare l’integritàdei moduli abitativi e quindi degli astronauti dipenderà ingran parte dall’individuazione dei rammenti che orbitanoinsieme ai veicoli spaziali. La Luna. Un satellite articialeche orbita ad una altezza superiore ai 1600 [Km] risente delleperturbazioni indotte dalla Luna. I satelliti geostazionari sonomaggiormente infuenzati da essa perché orbitano ad altezzemaggiori, circa 36000 [Km] e quindi più vicine al nostro satellitenaturale. Le perturbazioni della Luna nel sistema erra – satelliteconducono alla risoluzione di un problema classico di

meccanica celeste noto come problema dei tre corpi checonsiste nel determinare le posizioni e le velocità dei tre corpi:erra, Luna e satellite. Senza entrare nei dettagli matematicidi questo problema si osserva che, se all’inizio l’ orbita di unsatellite è quasi circolare e poco inclinata sul piano del corpoperturbatore (ad esempio la Luna), le variazioni d’inclinazioneed eccentricità dell’ orbita resteranno piccole; l’ orbita èstabile e resta poco inclinata. Per satelliti inclinati di circa90° l’ evoluzione dell’ orbita è del tutto dierente. L’ orbita,inizialmente circolare, tende a variare la sua eccentricitàmentre il suo semiasse maggiore resta immutato. L’ aumentodi eccentricità a sì che l’ orbita del satellite incontri la super-cie del globo intorno al quale orbita. Un caso amoso è statoquello del satellite lunare russo Lunik che precipitò sulla Lunacome previsto dalla teoria della meccanica celeste (la sua orbitaera inclinata di circa 90°!) dopo poche rivoluzioni. In queglianni non erano ancora note le implicazioni di questi calcoli sulmoto delle sonde interplanetarie, ma grazie all’avvento dell’ eraspaziale, molti ricercatori investigarono meglio questiproblemi di meccanica celeste. Oggi è possibile inviare sondespaziali ben più lontano della Luna raggiungendo gli obiettividi atterraggio con estrema precisione.(4)

(4) James R. Wertz and Wiley J. Larson, SPACE MISSION ANALYSIS ANDDESIGN, Tird Edition, Microcosm and Kluwer, 1999

Le caratteristiche che distinguono l’orbita di un satellite sonola sua orma, che può essere circolare o ellittica, la quota,il verso di percorrenza, orario/antiorario e l’inclinazione,

variabile tra 0° e 180° rispetto all’ equatore terrestre.Generalmente viene adottata la seguente classicazione perle orbite, in base al tipo di servizio che svolgono i satelliti:TIPO DI ORBITA INTERVALLO DI QUOTAL.E.O.(Low Earth Orbit) < 2000 [Km]M.E.O.(Medium Earth Orbit) 2000 ÷ 10000 [Km]G.E.O.(Geostationary Equatorial Orbit) 35800 [Km]Vediamo alcuni esempi dei tipi di orbite utilizzate dai satelliti.I satelliti impiegati nello studio del buco dell’ ozono, il cui eettosi maniesta maggiormente ai poli, dovranno necessariamente

Tipi di orbite



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QDC - Luglio - I satelliti artificiali