Capitolo 1 CLASSIFICAZIONI E PRIME DEFINIZIONI

Capitolo 1 CLASSIFICAZIONI E PRIME DEFINIZIONI Nello spazio esistono diverse strutture, costruite dall uomo, che hanno lo scopo di scambiare informazioni tra due punti posti a notevole distanza sulla Terra, studiare la Terra stessa, esplorare l universo ed effettuare particolari studi su oggetti sottoposti a condizioni spaziali. Tali strutture si suddividono in: Satellite: oggetto che orbita attorno ad un corpo celeste descrivendo, in un sistema solidale con questo, una traiettoria tipicamente chiusa; Stazione spaziale: particolare satellite assemblato nello spazio, abitabile (manned) o meno; Sonda: oggetti realizzati dall uomo che non descrivono orbite chiuse ma aperte, utilizzate per l esplorazione della terra o dell universo. Queste tre strutture hanno diverse caratteristiche a seconda del loro utilizzo. A tal proposito è utile classificare tali strutture in relazione alle caratteristiche salienti che le contraddistinguono. Se si considerano in particolare i satelliti, questi possono essere classificati in base a: Caratteristiche costruttive del satellite; Missione (o scopo) che il satellite deve svolgere; Tipologia dell orbita seguita dal satellite. In Figura 1.1 viene mostrato uno schema in cui si riporta la classificazione dei satelliti in base alle loro caratteristiche principali. 1

CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE MASSA POTENZA DISSIPATA CLASSIFICAZIONE DEI SATELLITI MISSIONE TELERILEVAMENTO DIFESA TELECOMUNICAZIONI CIRCOLARE TIPOLOGIA DELL ORBITA ELLITTICA PARABOLICA IPERBOLICA Figura 1.1 Classificazione dei satelliti. 1.1 Classificazione per caratteristiche costruttive La classificazione dei satelliti in base alle loro caratteristiche costruttive è di fondamentale importanza. Infatti, se da un lato la potenza dissipata fornisce un idea del tempo di vita del satellite una volta lanciato in orbita, dall altra la massa del satellite caratterizza il costo della messa in orbita dello stesso. In base alla massa si distinguono tre tipologie di satelliti: Satelliti di piccole dimensioni: massa inferiore a 900 Kg; Satelliti di grandi dimensioni: massa superiore a 4100 Kg; Satelliti di medie dimensioni: massa compresa nelle due precedenti. Per comprendere l importanza di questa classificazione si consideri che la messa in orbita di un satellite ha un costo di circa 35000 $/Kg. 1.2 Classificazione per missione La missione, o scopo, è la motivazione per la quale il satellite è stato ideato e messo in orbita. Di seguito vengo riportate le tipiche missioni che svolge un satellite: 2

Satelliti per telecomunicazioni: questa missione viene svolta dal 40% dei satelliti presenti in orbita. In questa missione esiste un ulteriore classificazione in base al servizio fornito; Esplorazione dell universo: questa missione viene svolta dalle sonde; Difesa: sono le missioni di carattere militare e sono svolte da circa il 20% dei satelliti in orbita. In realtà il numero di questi satelliti è imprecisato in quanto la maggior parte di questi satelliti sono di tipo Dual Use, ossia svolgono funzioni sia di tipo civile che di tipo militare; Studio: le missioni di studio vengono svolte dalle stazioni spaziali in cui vengono eseguiti studi su particolari tecnologie in condizioni di microgravità (ad esempio costruzione di lenti ottiche prive di difetti); Osservazione della terra: questa missione viene svolta da circa il 40% dei satellite in orbita. Si possono distinguere: o satelliti meteorologici; o satelliti per la ricerca di risorse naturali; o satelliti per il controllo dell inquinamento (ad esempio monitoraggio costante dell effetto serra); Radio localizzazione e radio navigazione. In generale il satellite è il miglior modo per poter trasmettere informazioni ad un gran numero di utenti simultaneamente. Tuttavia la larghezza del canale di comunicazione di un sistema satellitare è di circa 500 MHz, cioè ben al di sotto di quella cha hanno a disposizione la maggior parte dei canali terrestri (ad esempio una fibra ottica). Per questo motivo i satelliti non trovano applicazione per la trasmissione di informazioni in collegamenti punto punto. Tra le principali applicazioni dei satelliti per telecomunicazioni si hanno: Telefonia; VSAT (very small aperture terminal); Internet, caratterizzato da un costo elevato; Broadcasting RADIO TV, che presenta una trasmissione di tipo punto multipunto; Direct to home; Videoconferenza; Telemedicina. 3

1.3 Classificazione per tipologia dell orbita La classificazione dei satelliti in base alla tipologia dell orbita non è unica. Infatti si distinguono diversi modi di classificazione ognuno dei quali considera una caratteristica dell orbita del satellite. Una prima classificazione viene fatta in base all inclinazione dell orbita rispetto alla direzione equatoriale, come mostrato in Figura 1.2. In questo caso si distinguono: Orbite polari (inclinazione di 90 ): queste orbite sono tipicamente usate per quei satelliti con missioni di osservazione della terra; Orbite equatoriali (inclinazione di 0 ): queste orbite sono tipicamente usate dai satelliti per broadcasting; Orbite inclinate (inclinazione compresa tra 0 e 90 ): queste orbite sono tipicamente usate per satelliti militari o per costellazioni di satelliti. INCLINAZIONE Figura 1.2 Inclinazione dell orbita rispetto alla direzione equatoriale. Un altro raggruppamento fatto in base alla caratteristica dell orbita dei satelliti viene fatta in base all altitudine rispetto alla Terra: LEO (Low Earth Orbit): fino a 0.1 volte il raggio terrestre; MEO (Middle Earth Orbit); GEO (Geostationary Earth Orbit): per orbite superiori a 7 volte il raggio della Terra. Infine viene effettuata un ulteriore classificazione in base all orbita seguita dai satelliti: 4

Circolare; Ellittica; Parabolica; Iperbolica. Esiste inoltre un altra classificazione che distingue i satelliti in satelliti geosincroni e satelliti geostazionari. Questi tipi di satelliti presentano caratteristiche orbitali ben definite. In particolare si ha: Satelliti geosincroni: sono satelliti che descrivono un orbita attorno alla Terra ogni 24 ore. Hanno un orbita inclinata di poco rispetto a quella equatoriale (in genere circa 7 ). Un osservatore a terra li vede descrivere una traiettoria simile ad un otto rovesciato. Satelliti geostazionari: descrivono un orbita circolare attorno alla Terra. Essi compiono un giro attorno alla Terra in un giorno esatto cosicché per un osservatore posto sulla Terra essi appaiono immobili nel cielo. Tipicamente seguono un orbita equatoriale. Un satellite per essere geostazionario deve essere collocato ad una determinata quota dalla terra. Approssimativamente un satellite è soggetto a due forze che si devo equilibrare alla quota cercata. Tali forze sono la forza di attrazione gravitazionale (F G ), che tenderebbe a far collassare il satellite sulla Terra, e la forza centrifuga (F C ), che viceversa tenderebbe a far allontanare il satellite indefinitamente dalla Terra stessa. La quota può essere calcolata quindi a partire dall equilibrio tra queste due forze. Le espressioni delle due forze sono riportate rispettivamente nelle (1.1) ed (1.2) Si consideri inoltre che il satellite deve compiere un giro attorno alla Terra in un giorno. dove: M m FG = G 2 [ N] (1.1) r [ ] 2 FC m ω r N = (1.2) G = costante di gravitazione universale 6,67 10-11 [m 3 /(Kg sec)] M = massa della Terra 5,976 10 24 Kg 5

m = massa del satellite r = distanza tra i centri di massa della Terra e del satellite ω = velocità angolare del satellite intorno alla Terra R = raggio della Terra 6380 Km Eguagliando la (1.1) con la (1.2) si può esplicitare r. L altitudine rispetto al suolo della Terra sarà allora: Altitudine = r R [ m] (1.3) L altitudine che si ottiene in questi calcoli è circa 36000 Km. 1.4 Fase di lancio I satelliti vengono inviati nello spazio attraverso un mezzo denominato razzo vettore. Questi veicoli destinati al trasporto dei satelliti fuori dall atmosfera sono essenzialmente di due tipi: Expendables: di tipo usa e getta ; Riusabili: Space Transportation Systems, anche detti navette. Il razzo vettore è caratterizzato dal propellente (combustibile + comburente) utilizzato per lanciare il razzo stesso nello spazio. I propellenti si distinguono in propellenti solidi (efficienti e facili da manipolare ma non è possibile interrompere la combustione fin quando non finisce il combustibile) e liquidi (danno la possibilità di interrompere la combustione ma sono di difficile manipolazione e di complessa realizzazione). Due parametri fondamentali contraddistinguono le proprietà dei propellenti: Spinta: forza che nasce dal prodotto tra la massa di gas espulsi dall ugello di scarico in un secondo e la loro velocità di uscita. L unità di misura della spinta è il Newton: Kg m Kg m = = 2 N (1.4) s s s Impulso specifico: prodotto tra il tempo necessario ad un Kg di propellente per bruciare e la spinta fornita dal Kg di propellente considerato. L impulso specifico varia a seconda del propellente usato. L unità di misura dell impulso specifico è [N x s]. Infatti, dal punto di vista fisico l impulso è 6

definito come il prodotto tra una forza e l intervallo di tempo in cui essa si manifesta. I propellenti usati possono essere di due tipi: Monopropellenti o Idrazine (impulso specifico: 220 330); o Propellenti solidi (impulso specifico : 210 290); Bipropellenti o Cherosene + Ossigeno (impulso specifico: 440 490). Dopo essersi staccato da Terra, man mano che il razzo vettore (contenente il satellite) prende quota, parte del combustibile viene esaurito. In questo modo il rapporto tra la massa del combustibile e quella dei contenitori destinati a contenerlo diminuisce. Proprio questo motivo ha spinto i progettisti a realizzare razzi multistadio. Così, all aumentare della quota, parte dei contenitori utilizzati per il propellente diventano superflui e vengono abbandonati risparmiando in questo modo combustibile. L utilizzo di razzi multistadio rende inoltre possibile usare propellenti diversi per i diversi stadi. La fase di lancio è la fase più delicata nel processo di messa in orbita di un satellite. In questa fase, tutte le apparecchiature sono sottoposte a forti sollecitazioni e sbalzi termici. Non è detto che il satellite sia portato dal razzo vettore direttamente sull orbita finale; nella maggioranza dei casi, infatti, viene lasciato dal razzo in un orbita più bassa di quella che occuperà alla fine. Tale orbita è detta orbita intermedia. L intera procedura di messa in orbita è caratterizzata dai seguenti punti: Conto alla rovescia: durante questa fase si testano le varie parti del satellite, ad esempio sottoponendole a vari tipi di vibrazione; Lift off: fase di distacco da Terra. È la fase più critica in quanto il satellite ed il razzo sono sottoposti a grandi vibrazioni; Ascesa: è la fase in cui via via vengono abbandonati i vari stadi. Durante l ascesa sono sollecitati gli scudi termici; Separazione: è la fase in cui il satellite abbandona del tutto il razzo vettore. Sempre in questa fase si dispiega l antenna del sistema di telemetria e telecomando, e si hanno le prime comunicazioni di controllo con la Terra o Se l assetto del satellite è corretto si ha l accensione del motore d apogeo che trasporterà il satellite nell orbita finale; 7

o Se l assetto non è corretto, tramite il sistema di telemetria e telecomando, in questa fase è possibile correggerlo; Accensione del motore d apogeo: il motore d apogeo è il motore proprio del satellite. Si usa per portare il satellite dall orbita intermedia all orbita finale e, più in generale, per effettuare forti correzioni sull orbita seguita dal satellite; Raggiungimento dell orbita finale: Per portare il satellite su un orbita lontana è necessaria più energia di quella che occorre per portarlo su un orbita intermedia più bassa. Inoltre, portando il satellite su un orbita bassa si commettono generalmente errori più lievi che possono essere corretti facilmente mediante il motore di apogeo. Una volta raggiunta l orbita finale vengono fatte esplodere le cariche utili al dispiegamento delle celle solari necessarie per la vita del satellite. Anche in questo caso il satellite viene sottoposto a notevoli vibrazioni. ORBITA INTERMEDIA SATELLITE ORBITA FINALE TERRA Figura 1.3 Orbite raggiunte da una satellite lanciato nello spazio. 1.5 Componenti di un satellite I satelliti sono composti fondamentalmente da due parti: Payload (carico utile o carico pagante): è la parte principale del satellite, ossia la parte che svolge la missione per la quale il satellite è stato progettato e messo in orbita; Piattaforma (o BUS): comprende tutto ciò che occorre per il sostentamento dell intero satellite ed in particolare del payload. 8

Tipicamente un satellite è un trasponditore che ha il semplice compito di captare da Terra un segnale debole, amplificarlo mediante un amplificatore a basso rumore, cambiare la frequenza del segnale così ottenuto dalla frequenza di UPLINK a quella di DOWNLINK, amplificare nuovamente il segnale e, infine, ritrasmettere il segnale a Terra (satellite con Payload trasparente). I satelliti di ultima generazione prima di portare il segnale alla frequenza di DOWNLINK lo trasferiscono in banda base e lo rigenerano (satellite con Payload rigenerativo). Segmento spaziale Segmento terrestre UP LINK DOWN LINK Utente 1 Controllo Utente 2 Figura 1.4 Collegamento utenti satellite. Un satellite quindi si differenzia dagli altri per la tipologia e lo scopo del payload utilizzato. La piattaforma invece rimane pressoché invariata da satellite a satellite (piattaforma standard). La piattaforma è suddivisa in vari sottosistemi: Struttura: Serve per il supporto dell intero satellite e fornisce l interfaccia meccanica a diretto contatto con il razzo. E costituita da materiali leggeri e resistenti come il titanio, l alluminio e la fibra di carbonio che è nata proprio per questi scopi. È la parte più pesante del satellite ed è quindi quella che andrà a determinare dove risiedono i centri di massa. Il satellite viene posto nella parte ogivale (nella punta) del razzo vettore che lo trasporta. Poiché i propulsori del razzo sono laterali a quest ultimo, sviluppando una forza ascendente, allora per mantenere la traiettoria verticale si deve avere che il centro di massa del satellite sia perfettamente centrato rispetto ai propulsori. Per fare ciò in alcuni casi si utilizzano delle masse di compensazione; Controllo termico: L escursione termica che si registra sul satellite, (tra quando è illuminato dal sole e quando è in eclissi) è molto elevata. Un valore tipico per l escursione termica è di 300-400 C. Ovviamente tale escursione termica metterebbe a dura prova le funzionalità presenti sul satellite. A questo scopo la temperatura interna al satellite è mantenuta costante (o 9

quasi) mediante un opportuno sistema di controllo termico. Il controllo termico può essere attivo (mediante circolamento di fluidi che per irraggiamento cedono calore all esterno) o passivo (semplice irraggiamento all esterno). La vita del satellite è fortemente legata al controllo termico. La morte del satellite è spesso legata ad un precedente guasto al sistema di controllo termico; Generazione e distribuzione di potenza: Per la generazione di potenza si utilizzano dei pannelli solari, quando il satellite è in visibilità, e delle batterie quando il satellite è eclissato. Le differenze di potenziale a disposizione sono nell ordine di 40-50 Volt. Se queste tensioni rimangono costanti sia nella fase d illuminazione che in quella di eclissi il sistema è detto equilibrato; in caso contrario il sistema è detto non equilibrato. In un sistema non equilibrato, durante la fase di eclissi, le tensioni di alimentazione del satellite possono anche risultare la metà di quelle presenti a satellite non eclissato. Questo problema viene risolto con dei circuiti che provvedono a mantenere costanti le tensioni di alimentazioni (convertitori DC DC). Per quanto riguarda i pannelli solari, appena il satellite è messo in orbita, hanno un rendimento di circa il 15% ma il loro rendimento si riduce fino ad arrivare anche a meno del 10% alla fine della vita del satellite; Propulsione: Per propulsione non s intende quella necessaria per inviare il satellite in orbita ma quella necessaria al satellite per correggere il proprio assetto in caso di necessità. Ci sono diverse cause che possono far perdere al satellite il suo assetto. Questo sistema è strettamente correlato a quelli di telemetria e telecomando e controllo di assetto ; Telemetria e telecomando; Controllo dell assetto. Il sistema di propulsione, di telemetria e telecomando e di controllo dell assetto hanno lo scopo di correggere gli errori di posizione (il satellite non si trova nel punto giusto) e di puntamento (il satellite guarda verso una direzione sbagliata) del satellite (Figura 1.5). Gli errori di puntamento si possono suddividere in base a quale asse sia nella posizione non corretta. A tele scopo si parla di rollio se l errore riguarda l asse x, beccheggio se l errore riguarda l asse y ed imbardata se l errore riguarda l asse z. Il satellite può variare il suo assetto per diversi motivi tra i quali la presenza di vento solare, la generazione di coppie spurie e la presenza del campo gravitazionale del sole e della luna. In Figura 1.5 vengono mostrati i due possibili errori di assetto, evidenziando nell errore di puntamento gli assi sopra citati. 10

Errore di posizione Errore di puntamento A z z A y y x x a) b) Figura 1.5 Errori di assetto: a) errore di posizione; b) errore di puntamento. Il controllo dell assetto è effettuato ricorrendo ad un certo numero di sensori: Sensori di terra: sono sensori differenziali. Questi puntano, in condizioni corrette, sul bordo della terra (Figura 1.6). Una variazione dell assetto viene rilevata dai sensori in quanto questi andranno a puntare nello spazio; Figura 1.6 Puntamento corretto dei sensori di terra. Sensori di sole: funzionano con lo stesso principio di quelli di terra; Sensori stellari: nel satellite vengono pre caricate delle mappe stellari. Mediante delle telecamere si confronta ciò che queste vedono con le mappe in memoria; Sensori giroscopici; si basano sulla conservazione della quantità di moto. In taluni casi l intero satellite viene progettato in modo tale da essere lui stesso un giroscopio. In questo caso si deve sottolineare che i pannelli solari devono essere disposti in modo da formare un cilindro intorno al satellite stesso, cosicché non si generi un attrito che non farebbe ruotare correttamente il satellite stesso. 11