Lanci Spaziali

Lanci spaziali, come e dove avvengono

I lanci spaziali riguardano veicoli creati ad hoc, detti anche navicelle, che superano l’atmosfera. È proprio questo dettaglio che li differenzia dai voli aerei a cui tutti noi siamo abituati, inoltre non si basa sull’aerodinamica, ma sulla legge di gravitazione universale, sulla meccanica celeste e sui principi di astrodinamica.

Le missioni vengono pianificate nei minimi dettagli per poter esplorare lo spazio e osservare l’universo. Chi non ricorda il programma Apollo, nato per arrivare sulla luna, o i voli dello Space Shuttle della Nasa.

Di norma il lancio avviene dalla superficie di un corpo celeste tramite un razzo vettore che fornisce la spinta necessaria per superare la forza di gravità. Arrivati nello spazio, poi, i veicoli seguono la traiettoria di movimento attorno ai corpi celesti (la cosiddetta orbita).

Le caratteristiche dei lanci spaziali e le fasi del volo

Perché i lanci spaziali vadano a buon fine è necessaria una spinta verso l’alto per superare la forza di gravità, passare dall’atmosfera allo spazio esterno e fare entrare in traiettoria la navicella

Il confine, anche se non ne esiste uno vero e proprio, per convenzione è posto a un’altezza di 100 chilometri dalla superficie del mare e si chiama linea di Karman.

I voli possono essere sub-orbitali oppure orbitali, la differenza sta nel tipo di traiettoria che i veicoli assumono dopo i lanci spaziali. Nel primo caso, si supera la linea di Karman ma non si compie un giro completo intorno alla Terra (un’orbita); nel secondo ne avviene almeno uno senza ricadere sulla superficie terrestre. Le fasi di volo si dividono in:

• Decollo (o lancio spaziale);
• Raggiungimento dell’orbita;
• Fase di crociera;
• Manovre orbitali (se il volo è orbitale);
• Atterraggio (o rientro).

La fase che interessa in questa sede, quindi, è la prima. Tutte sono importanti, ma se questa non va a buon fine non è possibile procedere con il resto del volo. Il rischio, dunque, è di vanificare mesi e anni di calcoli, pianificazione e progettazione.

Come e dove avvengono i lanci spaziali

I lanci spaziali sono uno strumento che l’astronautica utilizza da tempo ormai, attraverso l’ausilio di razzi. Gli altri metodi non sono ancora stati messi sufficientemente a punto oppure devono essere ancora sviluppati (ed esistono soltanto a livello teorico).

Generalmente questa prima fase del volo comincia in uno spazioporto (o in cosmodromo, come lo chiamano i russi), dotato di rampe di lancio per permettere il decollo in verticale. Inoltre ci sono delle piste per la partenza e l’atterraggio di aerei madre e spazioplani (comunemente noti con il nome di Space Shuttle).

Il posizionamento degli spazioporti viene previsto lontano dai centri abitati, ovviamente per evitare che eventuali imprevisti o incidenti possano rivelarsi un pericolo per la popolazione. Inoltre, c’è una forte componente legata all’inquinamento acustico in questa fase del volo spaziale. I missili balistici intercontinentali (ICBM), invece, hanno altre strutture per i lanci spaziali: speciali e dedicate.

I complessi di lancio (o rampe) sono formati da una struttura fissa costruita appositamente. Di norma ci sono una torre di lancio, con i dispositivi necessari per il rifornimento e il controllo del razzo vettore, e delle passerelle per permettere l’imbarco degli astronauti (quando previsti).

Inoltre ci sono dei sistemi di soppressione del rumore e delle trincee tagliafuoco, progettate per il convogliamento del gas di scarico dei motori lontano da strutture e persone presenti nella zona. Gli spazioporti più conosciuti e utilizzati sono:

• Kennedy Space Center della Nasa, che si trova a Cape Canaveral (Florida, Stati Uniti);
• Centro Spaziale della Guyana Francese, a Kourou (vicino all’equatore);
• Cosmodromo di Baikonur, in Kazakistan, ed è la base di lancio più datata.

La posizione non è un dettaglio di poco conto per i lanci spaziali, perché influenza l’inclinazione minima possibile dell'orbita che il veicolo potrà raggiungere. A seconda della missione e del tipo di veicolo si stabilisce lo spazioporto più adeguato.

Per questioni legate alla fisica, un’orbita attorno alla Terra (e a qualsiasi altro corpo celeste) deve giacere per forza su un piano che intersechi sia il centro di gravita del corpo orbitato (per noi la Terra) che il punto di lancio della navicella spaziale. Da un determinato sito di lancio, dunque, si possono raggiungere soltanto dei piani orbitali inclinati di un valore uguale o superiore alla latitudine del luogo. A tal proposito, ecco le immagini del lancio della Crew Dragon.

La finestra di lancio

I lanci spaziali avvengono all’interno di una determinata finestra di lancio. Si tratta di un intervallo di tempo appositamente calcolato, durante il quale il veicolo spaziale deve per forza partire dalla superficie così da poter raggiungere la destinazione prestabilita (e quindi l’orbita prescelta oppure altri corpi orbitanti). Si parla di parametri particolari che si possono ottenere solo rispettando tempistiche precise (su di essi incide anche la rotazione della Terra). Questi sono tutti dettagli che vengono studiati approfonditamente per evitare che qualcosa vada storto, come successo con la missione Vega C fallita.

Lanci spaziali, metodi alternativi

La ricerca e le esperienze pregresse permettono oggi di avere anche altri metodi per portare a buon fine i lanci spaziali. Esistono gli ascensori spaziali e i momentum exchange tethers (funi per lo scambio di movimento), che richiedono però l’utilizzo di materiali più resistenti e che non possono andare ancora oltre la teoria.

I lanciatori elettromagnetici (come i Lofstorm loops) potrebbero essere più realistici, sfruttando le tecnologie oggi a disposizione. Si stanno valutando anche spazioplani e/o aerei assistiti da motori a razzo, come il Reaction Engine Skylon che è attualmente in via di sviluppo, e spazioplani con motore scramjet a razzo a ciclo combinato (RCBCC – Rocket-based combined cycle).

Condizioni ideali e necessarie

Se i lanci spaziali vanno come previsto, è possibile raggiungere l’orbita precedentemente stabilita e procedere con le altre fasi del volo. In questo caso si sfruttano le leggi di Keplero e la legge di gravitazione universale di Newton.

Durante il lancio la navicella deve stare su una traiettoria che intersechi l'orbita in un determinato punto, e l'intersezione stessa deve avvenire in maniera tale che il vettore velocità e l'altitudine corrispondano esattamente con quelli dell'orbita in tale punto. Se queste condizioni vengono rispettate, il veicolo raggiunge l'orbita desiderata e può rimanervi anche senza propulsione. Se la velocità raggiunta non basta, si assisterà a un volo sub-orbitale.

Fondamentale è quindi l’accelerazione raggiunta dal veicolo attraverso l'atmosfera, che dipende proprio dai razzi vettori (i cosiddetti lanciatori). Non solo combattono la forza di gravità, ma danno anche la spinta necessaria perché la navicella raggiunga la velocità necessaria per posizionarsi dove previsto e rimanere nello spazio. A volte, però, può succedere quanto accaduto a un satellite della Nasa, in caduta libera verso le Terra.