La tecnica dell’aerofrenaggio `e comparsa anche nel romanzo 2010: Odissea Due, di Arthur C. Clarke, nella quale due sonde (una russa ed una cinese) attraversano gli strati superiori dell’atmosfera gioviana per ridurre la propria velocit`a cos`ı da poter esplorare i satelliti del pianeta. Un colosso della ricerca come la NASA, continua ad investire in missioni all’interno del sistema solare, missioni che prevedono la presenza dell’uomo. L’obbiettivo fondamentale della NASA `e ridurre i costi ed i rischi di queste missioni. All’interno degli studi avanzati relativi alla minimizzazione del costo di missione, vi sono quelli legati all’aerofrenaggio, e pi`u in generale, alle manovre aeroassistite.
Le manovre aeroassistite comprendono i vari modi con i quali un veicolo in volo pu`o fare uso dell’atmosfera di un pianeta e delle forze aerodinamiche per cambiare la sua orbita o diminuire la sua velocit`a orbitale. Le manovre aeroassistite gi`a in uso o in via di sviluppo comprendono:
• rientro diretto • aerorientro • aerofrenaggio • aerocattura • aerogravit`a
4.2.1
Rientro diretto
Questa manovra riguarda il passaggio di una sonda di un veicolo, provenien- te da un’ orbita iperbolica, progettata per entrare nell’atmosfera, al fine di raccogliere ed inviare informazioni alla Terra. Un esempio in cui questa ma- novra aeroassistita fu effettuata con successo `e rappresentato dalla missione Galileo, che durante il quattordicesimo anno di missione (avente lo scopo di esplorare Giove), rilasci`o una sonda all’interno dell’atmosfera gioviana. Era il Dicembre 1995. Una rappresentazione di questa manovra `e illustrata nella Fig.
4.2. Tecnologie di rientro diretto sono utilizzate anche per effettuare atterraggi sulle superfici dei pianeti. Un esempio significativo per il rientro diretto come atterraggio `e il Mars Pathfinder, la quale fu lanciata nel Dicembre 1996 per
Aeroentry
Aeroentry is a more common flight maneuver than aerocapture or aerobraking. It is conducted whenever a spacecraft enters a planet's atmosphere from orbit. The Space Shuttle performs aeroentry every time it returns from orbit around the Earth. The Viking Landers used this aeroassist technology when the twin spacecraft landed on Mars in 1976 to gather atmospheric and surface data. There are substantial differences between aeroentry and direct entry. Aeroentry requires a slower entry velocity and also typically involves guided entry -- a precision landing in a designated area -- such as the Space Shuttle's landings.
Aerobraking
Aerobraking uses onboard fuel to capture a spacecraft into orbit but, then, utilizes drag from a planet’s atmosphere to slow down and place a spacecraft into its final orbit. This technique involves dipping into the uppermost portion of the atmosphere to adjust a craft's orbital altitude. This process can take several months to perform, as in the case of the Mars Global Surveyor, which launched in November of 1996.
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Figura 4.2: Rappresentazione della sonda rilasciata all’interno dell’atmosfera di Giove durante la missione Galileo.
studiare la superficie del Pianeta Rosso. Questa missione invi`o per l’ultima volta dati alla Terra nel Settembre 2003.
4.2.2
Aerorientro
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E una manovra di volo pi`u comune rispetto all’aerofrenaggio ed all’aerocattu- ra. La si considera conclusa quando il veicolo, proveniente dall’orbita, entra all’interno dell’atmosfera del pianeta. Lo Space Shuttle utilizza l’aerorientro ogni volta che `e richiesto il suo rientro a partire da un’orbita attorno alla Terra. Il Viking Landers utilizz`o questo tipo di manovra aeroassistita per far atterra- re i suoi veicoli gemelli su Marte. C’`e una differenza sostanziale tra il rientro diretto e l’aerorientro. L’aerorientro richiede una bassa velocit`a di ingresso in atmosfera e generalmente richiede un rientro guidato oltre che naturalmente ad un atterraggio preciso, vale a dire in un’ area prestabilita.
4.2.3
Aerofrenaggio
Questa manovra utilizza il combustibile a bordo per stabilizzare un veicolo spaziale su di un’orbita chiusa (diversa da quella di lavoro), ma a questo punto utilizza la resistenza dovuta alla atmosfera del pianeta per diminuire la sua quota lentamente e portarsi alla quota finale, vale a dire sull’orbita desiderata. Questa manovra pu`o avere la durata di alcuni mesi. Una missione abba- stanza recente, la Mars Odyssey, `e stata lanciata nell’Aprile 2001 per studiare
4 – La vela solare come strumento per l’aerofrenaggio e l’aerocattura
Aeroentry
Aeroentry is a more common flight maneuver than aerocapture or aerobraking. It is conducted whenever a spacecraft enters a planet's atmosphere from orbit. The Space Shuttle performs aeroentry every time it returns from orbit around the Earth. The Viking Landers used this aeroassist technology when the twin spacecraft landed on Mars in 1976 to gather atmospheric and surface data. There are substantial differences between aeroentry and direct entry. Aeroentry requires a slower entry velocity and also typically involves guided entry -- a precision landing in a designated area -- such as the Space Shuttle's landings.
Aerobraking
Aerobraking uses onboard fuel to capture a spacecraft into orbit but, then, utilizes drag from a planet’s atmosphere to slow down and place a spacecraft into its final orbit. This technique involves dipping into the uppermost portion of the atmosphere to adjust a craft's orbital altitude. This process can take several months to perform, as in the case of the Mars Global Surveyor, which launched in November of 1996.
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Figura 4.3: Immagine del Viking Landers
la composizione del Pianeta Rosso, pi`u esattamente per cercare la presenza di acqua e ghiaccio e per misurare la radiazione solare e cosmica. Il veicolo inoltre ha effettuato una serie di manovre di aerofrenaggio per diminuire la sua altitu- dine ed ottenere l’orbita desiderata, il tutto in poco pi`u di 77 giorni. Tutt’oggi il veicolo Odyssey `e in orbita attorno a Marte e continua ad inviare dati sulla Terra. L’aerofrenaggio `e stato usato per decenni come un valido strumento
TECH ISP - Aeroassist
The spacecraft's mission was to analyze and send data back to Earth about the planet's magnetic field, atmosphere and surface. The Mars Global Surveyor made a series of
aerobraking maneuvers over a nine-month period to gradually reduce its altitude and achieve its intended orbit.
A more recent mission -- the Mars Odyssey -- launched in April 2001 to study the Red Planet's composition, search for water and ice, and measure solar and cosmic radiation. The craft also made a series of aerobraking maneuvers but, this time, over a 77-day period to gradually reduce its altitude and achieve its intended orbit. The Odyssey spacecraft remains in orbit around the Red Planet today, sending vital data back to Earth.
Aerocapture
Aerocapture is the next step in aeroassist technology development and is currently being developed within NASA. Aerocapture is a technique whereby a spacecraft uses a planet's atmosphere to slow down and achieve orbit. An aerocapture vehicle approaching a planet is captured into orbit as it passes through the atmosphere, without the use of onboard propulsion. This fuel-free method could reduce the mass of an interplanetary spacecraft by more than half, allowing for smaller and less expensive launch vehicles or increasing the science payload capacity available on same size vehicles.
To conduct an aerocapture maneuver, a spacecraft requires adequate drag to slow its speed and also needs adequate protection from the heating environment. These functions
Figura 4.4: Immagine del Mars Odyssey.
per abbassare le orbite dei satelliti in orbita terrestre e farli eventualmente ricadere al suolo. L’aerofrenaggio o aerobraking `e una manovra spaziale che riduce il raggio di apoasse di un’orbita ellittica tanto da farlo diventare rag- gio di periasse. Ci`o `e reso possibile attraverso il volo del veicolo attraverso l’atmosfera del pianeta. L’aerofrenaggio `e ottimo per risparmiare propellente, se confrontato con l’uso di un propulsore chimico, qualora il veicolo spaziale richieda di abbassare l’orbita una volta catturato dal pianeta.
Quando un veicolo, al termine di una missione interplanetaria arriva alla sua destinazione, deve cambiare la sua velocit`a al fine di rimanere nella vici- nanza del pianeta di arrivo. Quando si vuole immettere il veicolo in un’orbita bassa e quasi circolare attorno al pianeta, la variazione totale di velocit`a deve essere dell’ordine di alcuni chilometri al secondo. Se questa variazione (di- minuzione) di velocit`a viene ottenuta in modo tradizionale, ovvero attraverso un propulsore di tipo chimico, sono le equazioni di base della propulsione ad insegnare che gran parte della massa del veicolo deve essere consumata sotto forma di propellente.
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E ovvio che all’aumentare della massa di propellente deve o essere sacrifica- ta la massa di carico pagante delle attrezzature scientifiche, oppure deve essere usato un grande e costoso lanciatore. L’energia cinetica dissipata dalla mano- vra di aerofrenaggio `e convertita in calore, per questo motivo il veicolo spaziale progettato per eseguire questa manovra deve essere in grado di sopportare il calore generato senza subire alcun danno. Per far in modo che una sonda re- sista al calore `e necessario uno scudo termico dotato di forma aerodinamica e di una buona resistenza all’accelerazione.
Ad esempio le prove fatte per simulare l’aerobraking della missione Mars Reconnaissance Orbiter, usano una pressione limite di 0.35 N/m2, una sezione
trasversa del veicolo di 37 m2 ed una temperatura attesa di 170 C. Una seconda possibilit`a di sfruttamento dell’aerofrenaggio prevede il suo utilizzo per ridurre semplicemente la velocit`a di una sonda spaziale, senza necessariamente provo- carne l’ingresso definitivo nell’atmosfera. Ad esempio il Mars Global Surveyor ha utilizzato i propri pannelli solari come fossero delle ali per apportare lievi modifiche alla propria orbita durante i suoi ripetuti passaggi al periastro. Questo tipo di aerofrenaggio non implica temperature o pressioni straordinarie e non richiede quindi caratteristiche strutturali specifiche della sonda.