Introduzione e prime definizioni

Elettronica per lo Spazio Introduzione e prime definizioni

SATELLITE Un satellite è un oggetto che orbita attorno ad un corpo celeste descrivendo, in un sistema di riferimento solidale con questo, una traiettoria tipicamente chiusa. STAZIONE SPAZIALE Una stazione spaziale è un particolare satellite assemblato nello spazio, abitabile (manned) o meno. SONDA Le sonde sono oggetti realizzati dall uomo che non descrivono orbite chiuse ma aperte, utilizzate per l esplorazione della Terra o dell Universo.

CLASSIFICAZIONE PER MASSA CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE MASSA POTENZA DISSIPATA CLASSIFICAZIONE DEI SATELLITI MISSIONE O SCOPO TELERILEVAMENTO DIFESA TELECOMUNICAZIONI TIPOLOGIA DELL ORBITA CIRCOLARE ELLITTICA PARABOLICA La classificazione più importante è fatta prendendo in considerazione la massa del satellite. Ciò avviene in quanto il costo della messa in orbita di un satellite è strettamente correlato alla sua massa. Come ordine di grandezza, il costo di una messa in orbita di un satellite è di circa 35.000$/Kg. Si parla di SATELLITI DI PICCOLE DIMENSIONI per satelliti di massa inferiore a 900 Kg e di SATELLITI DI GRANDI DIMENSIONI per satelliti di massa superiore a 4100Kg. In ogni altro caso si parlerà di SATELLITE DI MEDIE DIMENSIONI.

CLASSIFICAZIONE PER MISSIONE La missione è la motivazione per cui il satellite è stato ideato e messo in orbita. Tipiche missioni: 1. SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI: Il 40% circa dei satelliti presenti in orbita hanno missioni inerenti le telecomunicazioni. 2. ESPLORAZIONE DELL UNIVERSO: La maggior parte delle missioni finalizzate all esplorazione dell universo è fatta mediante l uso di sonde. 3. DIFESA: Per difesa si intende ogni missione militare. Questo gruppo di missioni rappresenta circa il 20% del totale. 4. STUDIO: Nelle stazioni spaziali vengono, tra gli altri, eseguiti studi su particolari tecnologie in condizioni di microgravità. Un esempio di questo tipo può essere la costruzione di lenti ottiche prive di difetti. 5. OSSERVAZIONE DELLA TERRA: Tra questi satelliti (circa il 40% del totale) si possono distinguere:? SATELLITI METEOROLOGICI? SATELLITI PER LA RICERCA DI RISORSE NATURALI? SATELLITI PER IL CONTROLLO DELL INQUINAMENTO: Ad esempio i satelliti per il monitoraggio costante dell effetto serra. 6. RADIO-LOCALIZZAZIONE e RADIO-NAVIGAZIONE

PRINCIPALI APPLICAZIONI DEI SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 1. TELEFONIA 2. VSAT 3. INTERNET 4. BROADCASTING (Radio e TV) 5. DIRECT TO HOME: Possibilità di visione di filmati richiesti da un singolo utente e inviati al singolo utente via satellite. 6. VIDEO CONFERENZA 7. TELEDIDATTICA 8. TELEMEDICINA 9.... In generale il satellite è il miglior mezzo per poter trasmettere ad un gran numero di utenti simultaneamente. Tuttavia la tipica larghezza del canale di comunicazione di un sistema satellitare è di circa 500MHz, cioè ben al di sotto di quella che a disposizione con una fibra ottica. L utilizzo del satellite per trasmissioni punto-punto è quindi molto sfavorito nei confronti dei canali terrestri (fibra ottica).

CLASSIFICAZIONE PER TIPOLOGIA DELL ORBITA Un primo raggruppamento può essere fatto in base all inclinazione dell orbita rispetto alla direzione equatoriale. INCLINAZIONE ORBITE POLARI (Inclinazione di 90 ): Queste orbite sono tipicamente usate per quei satelliti con missioni di osservazione della Terra. ORBITE EQUATORIALI (Inclinazione di 0 ): Tipicamente queste orbite sono seguite dai satelliti per broadcasting. ORBITE INCLINATE (Inclinazione compresa tra 0 e 90 ): Tipicamente per satelliti militari o per costellazioni di satelliti.

CLASSIFICAZIONE PER ALTITUDINE 1. LEO (Low Earth Orbit): fino a 0,1 volte il raggio terrestre. 2. MEO (Middle Earth Orbit) 3. GEO (Geostationary Earth Orbit): per orbite superiori a 7 volte il raggio della Terra. CLASSIFICAZIONE PER ORBITA SEGUITA 1. CIRCOLARE 2. ELLITTICA 3. PARABOLICA 4. IPERBOLICA 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 I 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.

Quale deve essere la quota alla quale deve essere collocato un satellite geostazionario? Il satellite è soggetto (approssimativamente) a due forze che si devono equilibrare alla quota cercata : Attrazione gravitazionale, che tenderebbe a farli collassare sulla Terra. Forza centrifuga che tenderebbe a farli allontanare indefinitamente dalla Terra. La forza di attrazione gravitazionale vale: Mentre la forza centrifuga vale:? 11 G = Costante di gravitazione universale 6,67? 10 m M = Massa della Terra 5976?10 24 Kg m = Massa del satellite r = Distanza tra i centri di massa della Terra e del satellite? = Velocità angolare tenuta dal satellite intorno alla Terra. R = Raggio della Terra, 6380 Km. Avendo ipotizzato che il satellite deve compiere un giro attorno alla Terra in un giorno: Eguagliando F G e F C si può esplicitare r. Con r stiamo indicando la distanza tra i centri di massa della Terra e del satellite. L altitudine rispetto al suolo della Terra sarà allora: L altitudine che si ottiene da questi calcoli è circa 36000 Km.?? M? m F G? G? 2 r 2 F C? m??? r 2 24??? ore? 24 2??? 60? 60 Altitudine? r?? sec R 3 Kg? s

SPINTA La spinta è definita come la 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 sarà allora: che è appunto l unità di misura di una forza? Kg? s?????? m s??? Kg? m??? s? 2? IMPULSO SPECIFICO L impulso specifico è il 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? s ]. Infatti, dal punto di vista fisico l impulso è definito come il prodotto tra una forza e l intervallo di tempo in cui essa si manifesta. PROPELLENTI Una prima suddivisione può essere fatta tra P. SOLIDI e P. LIQUIDI. A. I propellenti solidi sono efficienti e facili da manipolare ma non è possibile interrompere la combustione fin quando non finisce il combustibile. B. I propellenti liquidi, invece, danno la possibilità di interrompere la combustione ma sono di difficile manipolazione e di complessa realizzazione. I propellenti usati possono essere di due tipi: N MONOPROPELLENTI IDRAZINE Impulso specifico: 220 330 P. SOLIDI Impulso specifico: 210 290 BIPROPELLENTI CHEROSENE + OSSIGENO (H 2 +O 2 ) Impulso specifico: 440-490

Dopo essersi staccato da Terra, man mano che il razzo+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. FASE DI LANCIO I veicoli destinati al trasporto dei satelliti fuori dell atmosfera sono essenzialmente di due tipi: EXPENDABLES: Ossia usa e getta RIUSABILI: Space Transportation Systems (navette) 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.

FASE DI LANCIO 1. CONTO ALLA ROVESCIA 2. LIFT-OFF: E la fase di distacco. E la fase più critica, in questa fase il satellite ed il razzo sono sottoposti a grandi vibrazioni. 3. ASCESA: E la fase in cui via via vengono abbandonati i vari stadi. Durante l ascesa sono sollecitati gli scudi termici. 4. SEPARAZIONE: E la fase in cui il satellite abbandona del tutto il lanciatore. Sempre in questa fase si dispiega l antenna del sistema di telemetria e telecomando (di cui si parlerà in seguito), e si hanno le prime comunicazioni di controllo con la Terra. 4.a. Se l assetto del satellite è corretto si ha l accensione del motore d apogeo che porta il satellite nell orbita finale. 4.b. Se l assetto non è corretto è proprio in questa fase che si può correggerlo. 5. ACCENSIONE MOTORE DI APOGEO: Il motore di 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. 6. 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. ORBITA INTERMEDIA ORBITA FINALE SATELLITE TERRA

SEGNALI DI UP-LINK E DOWN-LINK 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 UP LINK a quella di DOWN LINK, amplificare nuovamente il segnale e, infine, ritrasmettere il segnale a Terra (Payload trasparente). I satelliti di ultima generazione prima di portare il segnale alla frequenza di DOWN LINK lo trasferiscono in banda base e lo rigenerano (Payload rigenerativo). UP LINK DOWN LINK SEGMENTO SPAZIALE SEGMENTO TERRESTRE CONTROLLO TERMINALE UTENTE 1 TERMINALE UTENTE 2

I SISTEMI COMPONENTI IL SATELLITE PAYLOAD: E il carico pagante, o carico utile PIATTAFORMA (Bus): comprende tutto ciò che occorre per il sostentamento dell intero satellite e del carico utile. La PIATTAFORMA è, a sua volta, scomponibile in sottosistemi : 1. STRUTTURA 2. CONTROLLO TERMICO 3. GENERAZIONE E DISTRIBUZIONE DI POTENZA 4. PROPULSIONE 5. TELEMETRIA E TELECOMANDO 6. CONTROLLO DELL ASSETTO 1 STRUTTURA : 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 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 quasi) mediante un opportuno sistema di controllo termico. Il controllo termico può essere attivo o passivo. 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 d.d.p. 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 che verranno discusse a breve. Questo sistema è strettamente correlato a quelli di, telemetria e telecomando e controllo di assetto.

L errore di puntamento può, a sua volta, essere suddiviso in: A Z Z ROLLIO: Per l asse x BECCHEGGIO: Per l asse y IMBARDATA: Per l asse z ERRORE DI POSIZIONE NELL ORBITA CORRETTA A X Y Y ERRORE DI PUNTAMENTO X Il satellite può variare il suo assetto per diversi fenomeni: 1. Vento solare. 2. Coppie spurie. 3. Campo gravitazionale del sole e della luna. Il controllo dell assetto è effettuato ricorrendo ad un certo numero di sensori SENSORI DI TERRA SENSORI DI SOLE SENSORI STELLARI SENSORI GIROSCOPICI