Con questa breve nota si vogliono fornire dei “rudimenti” della Navigazione spaziale verso la Luna e ritorno.
Il volo spaziale, a differenza di quello atmosferico, è caratterizzato da libertà di movimento molto limitata. Questo perché il moto di corpi nello spazio è vincolato dalle leggi della meccanica orbitale dettate dalla gravitazione dei corpi celesti (che non tratteremo in questa breve nota divulgativa). A differenza del volo atmosferico compiuto dagli aerei, il volo nello spazio non si basa sulla portanza generata dalle ali e dovuta al movimento dell’aria intorno ad esse (aerodinamica), bensì è governato unicamente dalla legge di gravitazione universale e dai principi dell’astrodinamica (branca della meccanica celeste).
Nel 1960 fu possibile andare sulla Luna (non c’era ancora il GPS) utilizzando i calcoli della meccanica dei due corpi. Calcoli molto complessi, aggravati dal fatto che Luna e Terra si muovono lungo le proprie traiettorie con velocità differenti, e la Terra ruota inoltre intorno al suo asse. E’ inoltre essenziale conoscere con una certa precisione la posizione del velivolo spaziale nello spazio, istante per istante, e il suo orientamento (assetto).
Inizialmente, il velivolo spaziale viene lanciato da un lanciatore in una prima orbita, detta “orbita di parcheggio”, intorno alla Terra, un’orbita circolare con altezza intorno ai 200 km.
Successivamente, attraverso l’azionamento di motori del velivolo spaziale, si riesce a generare un aumento di velocità che consente al velivolo spaziale di “fuggire” dall’orbita di parcheggio, uscendo dalla sfera di influenza gravitazionale della terra ed entrando nella sfera gravitazionale lunare. Questa manovra è molto critica e va fatta con un tempismo eccezionale. Un ritardo od anticipo di questa manovra può mandare il velivolo alla deriva. L’esatto istante di avvio di questa manovra è calcolato in anticipo a terra, tenendo conto dei moti dei corpi celesti Terra e Luna.
Con la particolare traiettoria scelta nelle missioni Apollo del secolo scorso, se accidentalmente il sistema propulsivo non funzionasse a dovere, impedendo al velivolo spaziale di entrare nell’orbita lunare, questo sarebbe in grado di ritornare a terra spontaneamente, sfruttando semplicemente la gravità lunare (traiettoria di ritorno libero).
Nelle Missioni Apollo, oltre ad avere nel veicolo spaziale un computer di bordo che, attraverso una Unità Inerziale (IMU – Inertial Measurement Unit) e strumenti ottici, consentiva di calcolare la sua posizione e il suo assetto, l’equipaggio ha utilizzato un sestante ottico e un telescopio per misurare gli angoli tra le stelle e gli orizzonti di Terra e Luna. Inoltre, il riferimento verso la Terra veniva determinato misurando il ritardo di un segnale inviato da una antenna sulla Terra al velivolo spaziale e viceversa.
In aggiunta, motori addizionali consentivano di aggiustare l’assetto (rollio , beccheggio e imbardata) oltre a fornire la spinta nella direzione necessaria.
Di seguito lo schema della recente missione della NASA ARTEMIS 1 avvenuta tra il novembre e dicembre 2022, che ha consentito di effettuare un volo senza equipaggio dalla Terra alla Luna e ritorno.
Schema del volo Artemis 1 – Credits NASA
Una volta che il velivolo spaziale è nella orbita lunare, questi viaggia a velocità costante nello spazio cislunare, operando eventuali manovre correttive rispetto alla traiettoria ideale, per correggere perturbazioni causate da vari fattori tra cui la pressione della radiazione solare.
L’allunaggio viene realizzato da un modulo che si distacca dal velivolo spaziale ed effettua la discesa sulla superficie lunare. Nelle Missioni Apollo si utilizzava un’orbita lunare molto bassa dalla quale effettuare le manovre di allunaggio. Nel programma Artemis si utilizzerà un’orbita molto più alta (fortemente ellittica e stabile) da cui far partire un veicolo dedicato per l’allunaggio. I vantaggi saranno che l’orbita della stazione sarà sempre visibile da Terra e il veicolo per l’allunaggio ridurrà notevolmente il consumo di propellente per ritornare alla stazione orbitante.
Rispetto alle missioni Apollo, in Artemis , oltre ad avere elaboratori la cui capacità di elaborazione è enormemente aumentata, ci sarà la disponibilità dei segnali GNSS (GPS, Galileo) , sia durante il viaggio dalla Terra che intorno alla Luna (attraverso sistemi opportuni di telecomunicazione e navigazione che consentiranno di fornire segnali PNT – Position, Navigation and Timing).
Nel ritorno dalla Luna alla Terra, particolare criticità sarà presente nel rientro nell’atmosfera terrestre. La capsula di ritorno dovrà rientrare con un angolo tra 5.5 e 7.5 gradi rispetto al terreno per garantire la sua integrità. Angoli maggiori rischieranno di far bruciare completamente la capsula. Angoli inferiori rischieranno di far perdere la capsula nello spazio.
Articoli di Riferimento:
- Basics of Space Flight https://solarsystem.nasa.gov/basics/chapter13-1/
- How were we able to navigate from the Earth to the Moon with such precision? https://engineering.mit.edu/engage/ask-an-engineer/how-were-we-able-to-navigate-from-the-earth-to-the-moon-with-such-precision/
- Microsoft Word – astrodinamica.doc (infn.it) https://wwwusers.ts.infn.it/~gregorio/lessons/cap_iii.pdf
- Rotta per la Luna. Ecco come raggiungiamo il nostro satellite https://www.astrospace.it/2021/06/29/rotta-per-la-luna-ecco-come-raggiungiamo-il-nostro-satellite/
