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Introduzione
1.1
Principi generali
L’esplorazione dello spazio `e un’impresa assai costosa per molteplici ragioni, ma soprattutto perch´e il grande quantitativo di propellente necessario per le missioni spaziali implica costi molto elevati. `E divenuta quindi impellente la necessit`a di ridurre tali costi ricorrendo a tecnologie di trasporto alterna-tive, che riducano l’impiego di propellente, tra le quali i tether, lunghi cavi metallici che consentono il trasporto di payload nello spazio.
Figura 1.1: Tether
I tether possono essere utilizzati per muovere il satellite nello spazio at-traverso due diversi meccanismi. Nel primo, il tether `e utilizzato esclusiva-mente come giunto meccanico tra due satelliti e consente quindi ad uno dei
due, di trascinare l’altro in una differente orbita. Nel secondo invece, il cavo `e costituito di materiale conduttore e le correnti elettriche, che scorrono al suo interno, interagiscono con il campo magnetico terrestre, generando forze propulsive sul tether stesso. Entrambe le metodologie, la prima basata sul trasferimento di quantit`a di moto, la seconda su forze elettrodinamiche, sono in grado di trasferire il veicolo spaziale da un’orbita ad un’altra, senza l’uso di propellente.
1.2
Cenni storici
Figura 1.2: Schema di funzionamento di un tether elettrodinamico
Il TSS (Tether Satellite System) fu proposto alla NASA e all’Agenzia Spa-ziale Italiana (ASI), nei primi anni settanta da Mario Grossi dell’Osservatorio Smithsoniano di Astrofisica e dal Prof. Giuseppe Colombo dell’Universit`a di Padova. Il progetto fu analizzato e valutato da una commissione scientifi-ca, la FRDT, che aveva il compito di indagare sulla possibilit`a di sviluppo del progetto, sia dal punto di vista scientifico e ingegneristico, sia da quello economico. Dopo l’approvazione della commissione partirono i lavori per la prima missione TSS-1, il cui progetto venne presentato nel luglio del 1985, e che ebbe luogo solo il 31 luglio 1992. Durante tale missione, il satellite
(italiano) venne allungato 268 m sopra l’Orbiter (sonda principale), dove ri-mase per gran parte della missione. I risultati pi`u significativi della missione furono la conferma dell’effettiva possibilit`a di utilizzare un cavo metallico stabilizzato a gradiente di gravit`a anche per grandi distanze. Venne effet-tuata una seconda missione il 22 febbraio 1996 (cfr. [1]), durante la quale un tether conduttore venne dispiegato dal satellite principale prima, per una lunghezza di 20.7 km e mantenuto in tale condizione per circa 20 ore, poi, per una lunghezza di 2.5 km per 9 ore, durante le quali vennero effettuati test che dimostrarono la possibilit`a di sfruttare la forza elettromotrice gene-rata dal campo magnetico terrestre per portare il satellite ad alte tensioni e quindi indurre corrente nel tether.
Figura 1.3: Schema di un TSS
L’attenzione che tutt’oggi ottengono le missioni riguardanti i tether, `e giustificata dai successi della seconda serie di esperimenti promossi dalla NASA (cfr. [2]), che riguardavano precisamente sistemi pi´u piccoli e meno complessi, chiamati SEDS (Small Expendable-Tether Deployer System)( cfr. [3]). La missione SEDS-1 (29 Marzo 1993) utilizz`o un tether per riportare un payload di 25 kg da un’orbita LEO sulla terra; l’esperimento fu molto utile perch´e mostr`o che una bobina di cavo percorso da corrente poteva ottenere prestazioni paragonabili a quelle di un razzo. Durante la missione SEDS-2 (9 Marzo 1994), invece, venne portato in orbita un tether elettrodinamico lungo 20 km e utilizzata una legge di controllo in circuito chiuso per allungare un tether collegato con un payload, lungo la verticale locale. Dopo solo 4 giorni
un micrometeorite impatt`o sul cavo, che venne distrutto. Queste ultime mis-sioni da un lato ribadirono ulteriormente le elevati prestazioni di spinta che si potevano ottenere dai tether elettrodinamici, dall’altro ne evidenziarono i limiti riguardanti le rotture a cui potenzialmente era soggetto il cavo a causa di micrometeoriti e di detriti spaziali, dando cos`ı origine a tutta una serie di test su prove di flessibilit`a e di resistenza del cavo.
Figura 1.4: Schema di SEDS-1
1.3
Applicazioni dei tether
Attualmente le applicazioni dei tether sono molteplici e possono essere sud-divise nelle seguenti aree di ricerca:
• Aerodinamica: riportare payload dalla Stazione Spaziale Internazionale
sulla terra senza ricorrere a propellenti e motori chimici; misurazione di gradienti spaziali geofisici; ricerca di dati aerotermodinamici sperimen-tali su modelli, che risentirebbero altrimenti delle limitazioni di gallerie del vento.
• Ricerca: ricerca di gradienti di gravit`a da fonti quali stelle binarie,
pul-sar e supernove; costruzione di una stazione spaziale evoluta utilizzando i serbatoi esterni dello shuttle collegati tra loro da tether; generazione di spinta sfruttando l’interazione elettromagnetica tra la corrente nel
tether e il campo magnetico terrestre; trasporto di materiale dall’orbi-ta lunare ad un’orbidall’orbi-ta geocentrica; traiettorie di fuga e di cattura da e verso Marte utilizzando tether di appoggio orbitanti attorno alle Lune di Marte.
• Gravit`a artificiale: creazione di un laboratorio di gravit`a artificiale
costituito da un sistema tether; realizzazione di un elevatore spaziale che permetta, tramite tether, di trasportare payload a differenti livelli di gravit`a residua.
• Elettrodinamica: generazione di potenza elettrodinamica; generazione
di spinta elettrodinamica; realizzazione di antenne di tipo ULF, ELF, VLF, per comunicazioni mondiali.
• Missioni interplanetarie: aerocattura per esplorazioni planetarie;
rac-colta di materiale di studio da asteroidi e da comete; generazione di spinta o resistenza elettromagnetica per manovre dentro la magnetos-fera di Giove; osservatorio per lo studio dell’atmosmagnetos-fera pi`u esterna di Marte.
1.4
Struttura della Tesi e finalit`
a
Lo scopo della Tesi `e di studiare le prestazioni di un tether elettrodinamico sotto l’influsso del campo magnetico terrestre, in una traiettoria di fuga da un’orbita bassa. Inizialmente nei Capitoli 2 e 3 si sono analizzati rispetti-vamente la dinamica del tether e l’influenza su di esso del campo magnetico terrestre. Per la schematizzazione del campo magnetico terrestre, si `e uti-lizzato dapprima il modello di dipolo inclinato e in seguito un modello di dipolo allineato, che sono stati analizzati singolarmente nei Capitoli 4 e 5 ed in seguito paragonati tra loro, anche facendo ricorso a modelli semplificati. Nel Capitolo 6 inoltre si sono analizzati gli influssi sulle prestazioni del tether da parte delle perturbazioni luni-solari; infine nel Capitolo 7 si `e fornito un modello di ottimizzazione locale per la traiettoria del tether, in particolare per il semiasse maggiore, ottimizzazione che `e stata effettuata sia ad elementi orbitali costanti, sia con elementi orbitali variabili.
