Perché una missione spaziale non può volare in nessun momento: cos'è una finestra di lancio?

Perché l'astronave non può essere lanciata in qualsiasi momento? Cos'è una rampa di lancio? Imparerai tutto questo dal nostro articolo.

Missione Artemide I

L’importanza della missione Artemis I per l’umanità viene spesso paragonata al volo dell’Apollo 8 del 1968, quando l’uomo riuscì a raggiungere l’orbita della luna per la prima volta nella storia. Ma a quel tempo, un volo riuscito sulla luna avrebbe dovuto essere, prima di tutto, una vittoria nello scontro politico e tecnologico tra Stati Uniti e Unione Sovietica, la scienza era sullo sfondo. Naturalmente, il programma "Apollo" è stato un enorme successo, perché una persona che ha lasciato la Terra a bordo del primo aereo solo pochi decenni fa, ha superato la gravità terrestre e si è trovata nell'orbita di un altro corpo celeste.

Non si parlava quasi della componente economica in quel momento. Ma sei decenni dopo, sono proprio i vantaggi economici dell'esplorazione delle risorse lunari che spingono l'uomo a "tornare" sulla Luna. Se l'unico motivo per tali missioni fosse piantare la bandiera del loro paese sulla superficie della luna, che, ovviamente, all'inizio le persone potrebbero percepirla come tale, mi chiedo se ora sarebbero coinvolte risorse così enormi. Dopotutto, ora sulla Terra ci sono problemi molto più seri. Ma la corsa allo spazio continua e i vantaggi qui saranno molto importanti, compresi quelli economici.

Cioè, l'annullamento del lancio della missione Artemis I il 29 agosto porta a perdite economiche e finanziarie. Sembrerebbe che non siano stati lanciati il ​​29, quindi avrebbero potuto lanciarlo il 30 o 31 agosto, ma lo hanno posticipato al 3 settembre. Sono sicuro che molti di voi non capiscono perché è stata scelta questa data particolare. Si parla di alcune finestre di partenza, di condizioni favorevoli al lancio. Scopriamolo.

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Requisiti rigorosi per quanto riguarda la data di inizio della missione

La finestra di lancio in questione è una condizione imposta dalla natura e dai limiti tecnologici, condizione che deve essere presa in considerazione durante il lancio di ogni oggetto spaziale. Per gli aerei, una finestra di partenza è per lo più facoltativa, ma a causa del traffico aereo intenso, decollano anche a una certa ora, cioè secondo l'orario. Se non ci fossero tali restrizioni, l'aereo potrebbe decollare e atterrare quando vuole. Ma i voli nello spazio aereo devono essere ordinati. Questo vale solo per lo spazio aereo della Terra, dove da decenni sono stati posati corridoi di aria condizionata per l'aviazione civile.

Anche un razzo che trasporta un'astronave potrebbe teoricamente fare questo, ma la fornitura limitata di carburante lo impedisce. Lo stesso attraverso il quale sì è difficile tornare sulla Terra. Per ora, possiamo volare su una traiettoria accuratamente calcolata solo se riusciamo a far coincidere le posizioni dei pianeti o della Luna con la Terra. Qualsiasi deviazione richiede riserve di carburante in eccesso, ma nello spazio non possono essere raccolte come i bonus in un gioco arcade.

Ecco perché i voli su Marte finora si svolgono solo a intervalli di due anni, quando la sua posizione alla fine del percorso di una sonda o di un altro dispositivo sarà favorevole allo svolgimento dei compiti. Nel caso di missioni che vanno oltre i confini del Sistema Solare, le traiettorie di volo possono essere molto più complicate, perché bisogna tenere conto anche dell'effetto della gravità di altri pianeti sulla traiettoria di volo pianificata. Ad esempio, durante il volo della Voyager ai limiti del Sistema Solare, è stata presa in considerazione l'accelerazione dovuta alla gravità di Venere e la nave New Horizons è stata similmente influenzata dalla gravità di Giove. Perché il carburante è ancora una risorsa scarsa nello spazio e le tecnologie dei motori basate sulla sua combustione sono ancora molto primitive. Sì, qualcuno menzionerà i pannelli spaziali che aiutano le sonde a usare il vento cosmico per spingersi, ma sono le sonde, non la navicella spaziale, che hanno bisogno di carburante per andare in orbita e tornare sulla Terra. E ne hai molto bisogno.

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Cosa sono i launchpad per l'avvio?

Immagina di essere al centro di uno stadio di atletica leggera e di voler incontrare uno degli atleti che corre su un tapis roulant. Possiamo provare a raggiungerlo, ma per questo dobbiamo correre più veloci di lui e spenderemo molte energie. È molto più ragionevole calcolare quando il corridore si troverà nella posizione più vantaggiosa, in modo che possa essere intercettato e al momento giusto andargli incontro. I calcoli devono essere accurati in modo da non arrivare troppo presto o troppo tardi. Il momento ottimale per iniziare a muoversi è la nostra finestra di partenza.

Lo stesso vale per le missioni spaziali. Una finestra di lancio è semplicemente il periodo durante il quale un veicolo spaziale può raggiungere un punto specifico nello spazio in un momento specifico. Allo stesso tempo, vengono prese in considerazione le capacità di potenza del razzo e la traiettoria dell'oggetto spaziale con cui l'apparato deve incontrarsi. Pertanto, le finestre sono diverse per le diverse missioni. Ad esempio, per una missione su Marte, la finestra di lancio si apre ogni 780 giorni. Ma per il lancio di "Voyager-2", il cui obiettivo sono pianeti come Giove, Saturno, Urano e Nettuno, hanno utilizzato una finestra di opportunità che appare solo una volta ogni 175 anni. D'altra parte, abbiamo l'esempio della missione Rosetta, che originariamente doveva studiare la cometa 46P / Wirtanen, ma questa opportunità è andata persa a causa di un ritardo nel lancio, quindi è stato scelto un nuovo obiettivo per la missione, la cometa 67P / Churyumova -Gerasimenko.

Più brevemente, la finestra di lancio del lancio è l'intervallo di tempo, calcolato dai calcoli della meccanica orbitale, durante il quale un dato veicolo spaziale può decollare e raggiungere con successo la sua destinazione finale. Naturalmente, tenendo conto della traiettoria di volo pianificata e della massa del carburante richiesto. Pertanto, la finestra iniziale richiede una posizione favorevole dei corpi celesti, la cui gravità influisce in modo significativo sul movimento del veicolo.

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Quattro fattori che influenzano la finestra di avvio dell'avvio

Ci sono quattro fattori che influenzano la scelta della finestra di lancio per il lancio di qualsiasi missione spaziale, incluso Artemis I. Sono così strettamente correlati tra loro che una discrepanza in uno dei fattori annulla istantaneamente l'effetto degli altri.

Orbite e inclinazioni

Ad esempio, Discovery deve consegnare un carico importante alla ISS. Innanzitutto, gli scienziati devono considerare due diverse traiettorie: la traiettoria della navetta stessa e la Stazione Spaziale Internazionale. Gli scienziati devono assicurarsi che le due orbite si incontreranno definitivamente, poiché lo scopo di questa missione è fornire i rifornimenti necessari alla stazione spaziale. Per fare ciò, calcolano il piano dell'orbita della stazione, un foglio immaginario che taglia la Terra e tiene la stazione spaziale al suo bordo.

Quando la Terra e la stazione spaziale si muovono, si muove anche l'aereo convenzionale che le collega. Gli scienziati devono trovare il momento in cui il bordo della Terra interseca la rampa di lancio del Kennedy Space Center in Florida, da cui dovrebbe partire la nave. Non possono mancare più di una laurea. La Terra ruota di 1 grado in cinque minuti, quindi il lancio dovrebbe avvenire esattamente entro quei cinque minuti.

Inoltre, il lancio deve avvenire quando la stazione spaziale si sta dirigendo da sud a nord. Ciò è dovuto al fatto che la navetta deve superare con successo la stazione e allo stesso tempo scartare il suo serbatoio esterno di 15 piani sull'oceano, dove non rappresenta una minaccia per l'uomo. L'oceano si trova a nord-est, quindi il lancio di Discovery deve attendere che la stazione spaziale si sposti a nord. Questo lascia lo space shuttle con una finestra di lancio di cinque minuti al giorno.

Per quanto riguarda la missione Artemis I, qui è ancora più interessante. La NASA vuole posizionare Orione in un'orbita molto retrograda attorno alla Luna. Questa è un'orbita molto stabile con due punti di Lagrange. Allo stesso tempo, l'apparato si muove intorno alla Terra nella direzione opposta rispetto alla Luna. Finora, questa orbita è stata utilizzata da un solo dispositivo: il cinese Chang'e 5. Per entrare in questa orbita, è necessario avviare i motori che consegneranno il dispositivo sulla Luna al momento e all'ora giusti. Questa manovra si chiama TLI (Trans-Lunar Injection) e l'accuratezza della sua esecuzione è estremamente importante. Questo è un elemento da considerare quando si calcola la finestra di avvio.

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"Precession" sposta la finestra

Inoltre, non bisogna dimenticare il fenomeno della precessione. Vedi la precessione ogni volta che il bambino inizia a girare la parte superiore della maschera. Innanzitutto, il suo asse di rotazione forma un cerchio nell'aria nella direzione opposta alla rotazione, inclinando la parte superiore prima in una direzione, poi nell'altra.

La Terra esegue una versione al rallentatore di questa danza mentre orbita attorno al Sole e i satelliti artificiali fanno lo stesso mentre orbitano attorno alla Terra.

Esiste una formula che consente agli scienziati della NASA di calcolare quanto oscillerà il satellite. Aggiungi il numero di giri che il satellite fa al giorno, la dimensione e l'eccentricità dell'orbita e l'inclinazione, e hai le oscillazioni. Per la Stazione Spaziale Internazionale, questi numeri danno un valore di quasi 5 gradi al giorno, che equivale a circa 20 minuti di rotazione giornaliera della Terra.

Questo vale anche per la luna e altri pianeti del sistema solare. Queste fluttuazioni richiedono un calcolo accurato, altrimenti qualsiasi regolazione richiede un consumo di carburante eccessivo e la perdita della traiettoria desiderata.

Condizioni meteorologiche al lancio

Di tanto in tanto abbiamo sentito che il lancio del razzo è stato annullato a causa di condizioni meteorologiche sfavorevoli. Sì, la natura non deve aspettarci, ci sono sempre alcuni fenomeni meteorologici sulla superficie terrestre, come tempeste, temporali, tempeste di sabbia, tempeste di neve, ecc.

I meteorologi dell'agenzia spaziale si destreggiano come professionisti monitorando la copertura nuvolosa, la direzione e la velocità del vento, nonché tempeste e altri eventi avversi in sei luoghi diversi nell'arco di 13 giorni. Approvano il decollo solo se il razzo non viene potenzialmente catturato da una tempesta o tempesta di sabbia, per esempio.

Condizioni di illuminazione

La finestra di lancio dovrebbe consentire una buona illuminazione per tutte le telecamere in modo che il team di controllo di volo possa vedere quanto bene funzionano tutti i sistemi e le impostazioni della nave, contribuendo a garantire la sicurezza dell'equipaggio della missione spaziale.

Ad esempio, secondo le regole della NASA, Orion non può essere in ombra per più di 90 minuti alla volta. Perché ha bisogno di luce solare per i pannelli e per mantenere la temperatura ottimale del dispositivo.

Inoltre, ci sono altri fattori legati al processo di atterraggio, durante il quale Orione deve entrare negli strati superiori dell'atmosfera terrestre, quindi lasciarli per un momento e di nuovo, già finalmente, immergersi nell'atmosfera. Tuttavia, per questo, il dispositivo deve raggiungere in tempo la traiettoria appropriata rispetto alla Terra. L'ultimo aspetto da considerare è il tempo di atterraggio. Orion dovrebbe atterrare nell'oceano durante il giorno per rendere più facile per le squadre in attesa trovare e recuperare la capsula.

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Il lancio non avviene da una rampa di lancio fissa. Anche il bersaglio è in continuo movimento

Parliamo più in dettaglio di alcuni dettagli che devono essere presi in considerazione per il lancio della missione Artemis I, che potrebbe essere lanciata già stasera.

La luna è vicina alla Terra e probabilmente non dovrebbero esserci grossi problemi qui. Ebbene, purtroppo, c'è, tra l'altro, il movimento del nostro pianeta e della Luna. Il nostro satellite non solo ruota sul proprio asse a una velocità di circa 0,5 km/s all'equatore, ma ruota anche attorno al Sole in un'orbita quasi circolare a una velocità di 30 km/s. Va inoltre tenuto conto del fatto che la velocità del moto della Terra viene aggiunta alla velocità di partenza del veicolo.

Inoltre, la posizione del Sole e della Luna rispetto all'orbita terrestre è in continua evoluzione, anche questo deve essere preso in considerazione. Pertanto, a parità di consumo di energia/carburante, un lancio dalla Terra alla Luna può portare a un risultato diverso a seconda della tempistica di quel lancio.

In teoria, possiamo costruire un tale veicolo spaziale che sarà abbastanza potente da volare sulla luna ogni giorno. E forse sarà così in futuro. Tuttavia, per ora, il successo della missione Artemis I richiede un'attenta selezione del tempo di lancio dalla Terra, che consentirà a Orion di spostarsi sulla Luna e quindi entrare nell'orbita pianificata attorno al nostro satellite. Anche se il lancio è nei tempi previsti, un ritardo di diversi giorni può causare cambiamenti significativi nella durata della missione.

Attualmente, a seconda dell'ora di lancio, la missione Artemis I può durare da 26 a 28 giorni o da 38 a 42 giorni. Prevediamo che questa missione sarà più lunga poiché Orione completa 1,5 rivoluzioni attorno alla Luna nella sua orbita molto retrograda. Se si considera l'opzione più breve e l'uscita dall'orbita lunare avverrà in un momento diverso, Orion farà solo 1 giro attorno alla Luna prima di iniziare il suo ritorno sulla Terra.

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Sono possibili date di lancio future di Artemis I

L'attuale finestra di lancio per il razzo SLS e il suo carico utile, che soddisfa i criteri della missione, sarà dal 2 al 6 settembre. È già noto che la NASA ha scelto la data più vicina per il lancio della missione Artemis I: il 3 settembre 2022 tra le 21:17 e le 23:17 ora di Kiev. Ogni giorno successivo ha anche una certa ora in cui l'inizio è possibile. Se non riesci a decollare entro questo tempo, appariranno le seguenti finestre di avvio:

• dal 20 settembre al 28 settembre
• dal 30 settembre al 4 ottobre
• dal 17 al 23 ottobre
• 27 ottobre
• dal 29 al 31 ottobre
• e così via…

Non ci resta che attendere e sperare che il successo del lancio della storica missione Artemis I avvenga presto.

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