Effetto fionda.html |
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In meccanica orbitale e ingegneria aerospaziale, si chiama fionda gravitazionale l'utilizzo della gravità di un pianeta per alterare il percorso e la velocità di un veicolo spaziale. È comunemente usato per raggiungere i pianeti esterni, che altrimenti sarebbero proibitivi, se non impossibili, da raggiungere con le tecnologie attuali, essenzialmente per un motivo di costi e tempi troppo lunghi. È anche chiamato gravity-assist e si utilizza con profitto solo con pianeti dotati di grande massa.
Indice |
modifica Storia
L'idea della fionda gravitazionale fu sviluppata negli anni 1961-63 dal matematico Michael Minovitch. Inizialmente fu ritenuta solamente una curiosità, in quanto all'epoca sarebbe stato molto difficile poter avere delle applicazioni pratiche della teoria, poiché era necessario dover attendere delle particolari disposizioni dei pianeti ed inoltre era richiesta anche una grande precisione. Nel 1973 Giuseppe Colombo propose alla NASA l'uso di una fionda gravitazionale con Venere per far incontrare la sonda Mariner 10 con Mercurio ben 3 volte. La soluzione proposta funzionò perfettamente e venne ripetuta poi molte altre volte. Alcune sonde che hanno utilizzato la fionda gravitazionale sono la Voyager 1, la Voyager 2, la Pioneer 10, la Pioneer 11, Ulisse, Galileo e la Cassini-Huygens.
modifica Spiegazione
Il modo più semplice per far andare una sonda da un pianeta ad un altro è quello di utilizzare un trasferimento alla Hohmann, ovvero far percorrere alla sonda un'orbita ellittica con la Terra al perielio e l'altro pianeta all'afelio. Se lanciato nel momento adeguato, il veicolo spaziale arriverà all'afelio proprio quando il pianeta starà passando lì vicino. Questo tipo di trasferimento è comunemente usato per muoversi attorno alla Terra, dalla Terra alla Luna o dalla Terra a Marte.
Un Trasferimento alla Hohmann usato per raggiungere pianeti esterni richiederebbe tempi lunghi e un considerabile delta V (un indice della quantità di propellente di un razzo necessaria ad eseguire una manovra orbitale). È in questi casi che l'effetto fionda è usato più frequentemente. Ad esempio invece di raggiungere Saturno con un Trasferimento alla Hohmann, si raggiunge Giove con quel sistema e poi si sfrutta la sua gravità per raggiungere Saturno.
Per ottenere l'effetto fionda, il veicolo spaziale deve effettuare un ravvicinato fly-by (sorvolo) del pianeta. Consideriamo una sonda diretta verso un pianeta, per esempio Giove. Come la sonda si avvicina a Giove, la gravità del pianeta la attrae aumentando la sua velocità. Dopo aver passato il pianeta, la gravità continua ad attrarre il veicolo, rallentandolo. L'effetto sulla velocità relativamente al pianeta è nullo (come deve essere dalla legge di conservazione dell'energia), mentre la direzione del veicolo è cambiata.
Tuttavia dobbiamo tener conto che i pianeti non stanno fermi, ma si muovono nelle loro orbite attorno al Sole. La velocità non è cambiata perché misurata in riferimento a Giove, mentre se la misuriamo in riferimento al Sole potremmo osservare che essa è differente. Il guadagno di energia cinetica è spiegato dal fatto che è il pianeta a perdere parte della sua Energia cinetica, rallentando il suo moto di Rivoluzione e stringendo la sua Orbita, ma in maniera del tutto impercettibile. Questo perché il trasferimento di energia dal pianeta al velivolo è inversamente proporzionale alle masse: il pianeta perde così una quantità irrisoria di energia, lasciando praticamente invariata la propria orbita.
In base alla traiettoria, l'astronave può guadagnare fino a due volte la velocità orbitale del pianeta. Nel caso di Giove, questa è di oltre 13 km/s. In questo modo, il pianeta presta al veicolo una quantità di momento angolare supplementare necessaria affinché raggiunga Saturno usando poco o nessun combustibile in più di quello usato per raggiungere Giove.
Un Trasferimento alla Hohmann per Saturno richiederebbe un delta V totale di 15,7 km/s, il quale è al di fuori delle capacità degli attuali razzi. Usare più di una fionda gravitazionale diventa lungo ma diminuisce in modo considerevole il delta V, permettendo di mandare in orbita veicoli spaziali più grandi. Questa strategia è stata utilizzata dalla sonda Cassini-Huygens, la quale è passata due volte vicino a Venere, poi vicino alla Terra, e infine vicino a Giove diretta verso Saturno. Rispetto all'adottare un Trasferimento alla Hohmann, questo sistema ha ridotto il delta V a 2 km/s, così la grande e pesante sonda ha potuto raggiungere Saturno con razzi relativamente piccoli.
Questo tipo di missioni richiede un'attenta sincronizzazione e per questo la finestra di lancio è una parte cruciale per la corretta riuscita della missione.
modifica Gravity-assist potenziati
Durante l'avvicinamento della nave spaziale a un pianeta, l'efficacia della propulsione del razzo aumenta, e quindi piccole spinte vicino al pianeta producono grandi cambiamenti nella velocità finale della nave.
Un buon metodo per ottenere più energia da un gravity-assist è quello di utilizzare i motori vicino l'afelio. La spinta di un razzo dà sempre lo stesso cambiamento della velocità, ma il cambiamento dell'energia cinetica è proporzionale alla velocità del veicolo al momento dell'accensione del razzo. Come sempre, per ottenere il massimo dell'energia dal razzo, si deve accenderlo quando il veicolo è alla velocità massima, cioè all'afelio. Per esempio, un trasferimento alla Hohmann dalla Terra a Giove porta l'astronave in un fly-by con una velocità all'afelio di 60 km/s e una velocità finale di 5,6 km/s, che è 10,7 volte più lenta. Questo significa che il razzo che aggiunge 1 joule di energia cinetica quando è distante da Giove, aggiunge 10,7 joule all'afelio. Se abbiamo un guadagno di 1 m/s all'afelio abbiamo un guadagno di 
m/s. Quindi l'intenso campo gravitazionale di Giove ha triplicato il guadagno effettivo ottenibile dai motori.
modifica Limiti nell'uso della fionda gravitazionale
Il principale limite pratico dell'uso di una fionda gravitazionale è la quantità di massa disponibile per ricevere la spinta.
Un altro limite è causato dall'atmosfera del pianeta. Più si è vicini al pianeta, maggiore è la spinta che si ottiene. Se una sonda è troppo vicina all'atmosfera, l'energia persa per via dell'attrito con questa, può essere superiore a quella guadagnata dall'effetto fionda. Questo effetto può essere utile se l'obiettivo è quello di perdere energia. Vedi Aerofrenaggio.
I gravity-assist che usano il Sole in sé sono impossibili in quanto questo non è in grado di donare il momento angolare. Tuttavia accendere i motori quando si è vicino al Sole ha lo stesso l'effetto di aumentare il guadagno effettivo dei razzi. C'è comunque il limite dovuto alla resistenza al calore della sonda e quindi non si può arrivare mai troppo vicino al Sole.
modifica Altri progetti
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