Astronautica

Scienza che ha per oggetto lo studio e la realizzazione della navigazione spaziale.

v Storia

La  conquista dello spazio ha sempre tentato gli uomini; famosi miti antichi confermano questa aspirazione che, col trascorrere dei secoli, si è manifestata anche attraverso la letteratura con racconti fantasiosi. Nel secolo scorso i romanzi a fondo scientifico di scrittori come Jules Verne o Herbert George Wells, basati sulla conoscenza delle leggi fisiche che governano il moto nello spazio, hanno anticipato i tempi. Ma i primi studi che possiamo considerare realmente tecnici sono quelli dello scienziato russo K. E. Tziolkovskij, che nel 1903 progettò un'astronave propulsa dall'eiezione di gas derivanti dalla combustione di un carburante e di un comburente (razzo a propellenti liquidi). In seguito altri studiosi affrontarono il problema: dallo scienziato francese R. Esnault-Pelterie che, tra l'altro, previde dal 1920 l'impiego di propulsori a energia nucleare, a R. H. Goddard negli Stati Uniti, a Oberth e Sänger in Germania, che studiarono l'equazione di moto di un missile; ma, sino al 1945, salvo la realizzazione di missili bellici da parte dei Tedeschi, tutto restò limitato al campo teorico. A partire da tale data, gli studi di astronautica si moltiplicarono, in particolare per quanto concerne la messa in orbita di un satellite artificiale, primo passo verso la conquista degli spazi. Ricordiamo gli studi di A. Clarke (1945), E. Esclangon (1947), W. von Braun (1948), R. Engel (1949), ecc. Promosso da Alessandro Ananov, il primo congresso internazionale d'astronautica si tenne a Parigi nel 1950. Nel 1955 prima gli Americani e poi i Sovietici annunciarono che la loro partecipazione all'Anno geofisico internazionale (1957-1958) avrebbe comportato l'invio di satelliti artificiali intorno alla Terra. Il primo di essi, lo “Sputnik I”, fu lanciato il 4 ottobre 1957 dai Sovietici, i quali un mese dopo misero in orbita anche lo “Sputnik II”, che portava a bordo una cagnetta (Lajka) per consentire di studiare per la prima volta le reazioni di esseri viventi nello spazio. E' opportuno rilevare che le quote raggiunte dai primi satelliti artificiali immessi in orbite circumterrestri — il cui apogeo non superava i 3.700 km (l'apogeo dei satelliti abitati, definiti più comunemente capsule spaziali, non raggiungeva nella maggior parte dei casi i 300 km) — non consentivano di parlare di astronautica vera e propria, cioè di navigazione spaziale o interplanetaria o intersiderale. E' però invalso l'uso di chiamare astronauti o cosmonauti (anche se non uscirono neppure dall'atmosfera che arriva sino a 1.000 km) gli aviatori che compirono i primi voli suborbitali e orbitali. Il primo volo orbitale fu compiuto dal sovietico Gagarin, il 12 aprile 1961, a bordo della capsula spaziale “Vostok 1”; nello stesso anno il presidente americano J. F. Kennedy diede il via al “programma Apollo” che avrebbe portato il primo uomo nella Luna; il 20 febbraio 1962, l'americano J. Glenn, a sua volta nello spazio, effettuava tre orbite circumterrestri il 20 febbraio 1962, a bordo di una capsula spaziale “Mercury”. Il 16 giugno 1963 avveniva il primo lancio nello spazio di un'astronauta, la sovietica V. Terekova, che, con la “Vostok 6”, rimaneva in volo per quasi tre giorni. Nei primi sei lanci sovietici furono impiegate le capsule “Vostok” con una sola persona a bordo; nelle due successive missioni furono impiegate: la “Voschod 1” (3 uomini) e la “Voschod 2” (2 uomini). Il 18 marzo 1965 era portata a termine la prima “passeggiata” nello spazio a opera del sovietico A. Leonov (“Voschod 2”), seguita a tre mesi di distanza dall'uscita dell'americano E. H. White dalla capsula “Gemini 4”. Il 15 dicembre 1965 la “Gemini 6” riusciva a raggiungere in orbita la “Gemini 7”, lanciata precedentemente. Le due capsule spaziali, manovrate dai rispettivi astronauti a mezzo di razzi direzionali, orbitavano insieme per oltre venti ore avvicinandosi fino alla distanza di pochi metri. Il 16 marzo 1966 avveniva il primo congiungimento nello spazio tra la capsula “Gemini 8” e un missile “Agena”, mentre il 5 giugno 1966 l'americano Cernan usciva dalla “Gemini 9” per oltre due ore. Con le missioni “Gemini 10” (18 luglio 1966), “Gemini 11” (12 settembre 1966) e “Gemini 12” (11 novembre 1966), giungeva a conclusione il programma spaziale americano basato sull'impiego di capsule orbitali biposto, con l'accumulo di una considerevole esperienza relativa alle operazioni d'attracco tra veicoli spaziali e all'attività extraveicolare.

Dopo la “Voschod 2”, dal 23 aprile 1967, i Sovietici impiegarono le capsule “Sojuz”, termine che significa unione; con esse infatti furono sperimentate tecniche di appuntamento in orbita (“Sojuz 2 e 3”, 25-26 ottobre 1968) e di aggancio con trasbordo di due dei tre uomini di equipaggio (“Sojuz 4 e 5”, 14-15 gennaio 1969). Le successive tre capsule furono lanciate in successione a un giorno di distanza una dall'altra (11-12- 13 ottobre 1969) e l'ultima, la “Sojuz 9” (1 giugno 1970), rimaneva in orbita 17 giorni 16 ore 59 minuti, superando il precedente record (1965) della “Gemini 7”.

Le attività spaziali sovietiche, dopo un vivacissimo inizio, assunsero poi un ritmo meno sostenuto, presumibilmente anche a causa della scomparsa dei due massimi tecnici sovietici nel campo dell'astronautica, Korolëv e Voskresenskij, e delle battute d'arresto dovute ai tragici insuccessi delle missioni “Sojuz 1” e “Sojuz 11”.

Nel contempo gli Americani avevano avviato i lanci del programma Apollo; dopo diversi lanci e alcune missioni sperimentali, attuarono la missione “Apollo 11” che, iniziata il 16 luglio 1969, culminò il 21 luglio, con la discesa degli astronauti N. Armstrong ed E. Aldrin sulla superficie lunare. Il programma proseguì con altri sbarchi e terminò con la missione dell'“Apollo 17” (7 dicembre 1972), durante la quale fu impiegato il veicolo Lunar Rover. Dal canto loro, i Sovietici dedicarono notevoli energie alla messa a punto di sonde spaziali automatiche, ottenendo brillanti risultati. Particolarmente notevoli quelli della serie “Lunik” (1970-1972), delle quali si cita il successo del “Lunik 16” (12 settembre 1970) che eseguì una discesa morbida sulla superficie lunare il 20 settembre, e, dopo il prelievo di alcuni campioni del suolo lunare, una sua sezione ripartì dalla Luna; il “Lunik 17” (10 novembre 1970), che discese sulla Luna nel mare delle Piogge portando al seguito un veicolo automatico, il “Lunachod”; il “Lunik 20” (14 febbraio 1972) che, disceso sette giorni più tardi sulla superficie lunare, ne ripartì il 23 novembre dopo aver prelevato una “carota” di minerali lunari; l'ultimo fu il “Lunik 21” (8 gennaio 1973). Caduti per entrambe le grandi potenze molti dei moventi che le avevano spinte a una serrata competizione, energie e mezzi furono allora diretti; più che a scopi di ricerca scientifica con obiettivi militari o più in generale di prestigio nazionale, verso la ricerca scientifica pura e verso le applicazioni pacifiche dei satelliti artificiali come ausilio alla navigazione, le telecomunicazioni, la meteorologia, lo studio delle risorse terrestri, il rilevamento di fenomeni di inquinamento e così via.

Significativo, a partire dagli anni Settanta, è stato il progressivo ingresso nel campo dell'astronautica di altre nazioni, oltre agli Stati Uniti e all'Unione Sovietica (in particolare dopo la dissoluzione di quest’ultima, la cui eredità in campo astronautico è stata raccolta, sostanzialmente, dalla Russia): è del 1974, per esempio, la fondazione dell'Ente spaziale europeo (Europen Space Agency, ESA), che ha la sua base di lancio nella Guyana francese, a Kourou, e nel novero dei paesi con attività spaziali sono entrati anche Giappone, Cina e India.

Gli Stati Uniti hanno cercato di sostituire al programma di lanci basati su razzi vettori un programma basato sul concetto dello “Shuttle”, o navetta spaziale, con l'obiettivo principale di un contenimento dei costi delle missioni: la navetta spaziale ha infatti fra le sue caratteristiche quella della recuperabilità e perciò della riutilizzabilità, a differenza di quanto accade con i razzi vettori. La navetta doveva servire per tutti i tipi di lanci: da quelli dei satelliti di ricerca, per telecomunicazioni o di impiego militare, in orbita attorno alla Terra, a quelli di sonde interplanetarie. Il programma dello Shuttle ha avuto inizio nel 1981, ma l'attività spaziale americana ha subito una pesante battuta d'arresto nel gennaio 1986, quando la navetta “Challenger” è scoppiata dopo due soli minuti dal lancio da Cape Canaveral (nel disastro morirono anche i sette membri dell'equipaggio). Il programma basato sulla navetta è stato ripreso agli inizi degli anni Novanta, ma sensibilmente ridimensionato, ristretto alle missioni scientifiche e al trasporto di carichi di grandi dimensioni e di interesse nazionale (satelliti ripetitori non commerciali, componenti della stazione internazionale SSI), mentre per tutti gli altri tipi di impieghi si è tornati all'uso dei razzi vettori. Anche gli altri paesi hanno rivolto gli investimenti del settore soprattutto verso le attività di interesse commerciale, in particolare per la messa in orbita di satelliti per telecomunicazioni, che costituiscono l'aspetto più remunerativo e appariscente delle conquiste spaziali di fine-secolo. Ai vettori americani hanno cominciato a fare concorrenza, su questo piano, i vettori realizzati dall'ESA, denominati “Ariane”, che agli inizi degli anni Novanta soddisfacevano circa il 60% delle esigenze commerciali internazionali. Nel 1994 sono entrati in lizza anche il Giappone, con il suo lanciatore H-II (a cui si è affiancato nel 1996 il più piccolo J-1) e l'India, che in quell'anno effettuava con successo il primo lancio del suo PSLV.
 

v Il volo nello spazio
 

In  rapporto al volo nell'atmosfera, il volo nello spazio extraatmosferico ha due caratteristiche essenziali: assenza di resistenza aerodinamica e diminuzione progressiva dell'intensità della gravitazione terrestre in funzione della distanza. La velocità di un corpo che si muove in quest'ambiente non è più soggetta ad alcuna limitazione, e aumenta finchè il propulsore funziona. Quando la propulsione cessa, il corpo mobile conserva una velocità costante, per cui gli è possibile viaggiare nello spazio senza consumo di carburante. Se la velocità raggiunta è compresa, a seconda dell'altezza, tra i 28.250 e i 39.600 km/h (prima velocità cosmica), l'equilibrio tra la forza centrifuga e quella di gravità consente al veicolo di non ricadere e di trasformarsi in un satellite artificiale della Terra.

Per poter realizzare la navigazione interplanetaria occorre invece vincere la forza di gravità, il che è ottenibile soltanto se superano i 40.000 km/h, cioè la velocità di fuga, detta anche seconda velocità cosmica o velocità di liberazione. La terza velocità cosmica, necessaria per uscire dal sistema solare, è di 58.000 km/h. Per quanto sinora si sia fatto ricorso soltanto a razzi vettori mossi da propellenti liquidi o solidi, è indubbio che maggiori velocità e più lunghe autonomie possono essere ottenute con propulsori funzionanti a energia nucleare, per limitarci a un tipo di propellente di “possibile” impiego. Esistono due tecniche completamente diverse per effettuare un viaggio interplanetario: la prima consiste nel compiere il volo a velocità costante ed è quella che richiede minor consumo di carburante. Infatti, dopo che il veicolo, sonda spaziale o razzo cosmico, ha lasciato la zona di attrazione terrestre, si può arrestarne la propulsione poiché esso continua il viaggio nello spazio in quanto nulla si oppone al suo movimento. La seconda tecnica è quella del volo ad accelerazione costante, nel quale il propulsore è mantenuto in funzione per tutto il viaggio. Nella prima metà del percorso, la sonda accelera costantemente la sua velocità; se si vuole che si posi su un altro pianeta, una volta entrata nel suo raggio di attrazione, la si fa capovolgere con un comando a distanza e il propulsore ne assicura allora il frenaggio progressivo, in modo da consentirle di prendere contatto senza danni con la superficie del pianeta; oppure si arrestano i razzi del propulsore azionando altri appositi razzi, posti anteriormente (nel senso del moto), i quali agiscono da freno con gli stessi risultati.

Il volo a velocità costante è realizzabile, per distanze brevi, anche con veicoli spaziali con equipaggio umano, propulsi da razzi a combustibili chimici dello stesso tipo di quelli impiegati attualmente, ma più potenti; al contrario, per le grandi distanze interplanetarie è più idoneo il volo ad accelerazione costante. Infatti, mentre per un percorso di 142 milioni di km occorrono tre anni e tre mesi alla velocità di 5.000 km/h, con un'accelerazione costante pari a gx basterebbero circa due giorni e 3/4; a velocità costante, un simile viaggio sarebbe irrealizzabile per un equipaggio umano, mentre ad accelerazione costante l'ostacolo della durata si annulla.
 

v La vita dell'uomo nello spazio


Le  condizioni che maggiormente possono influire sulla fisiologia umana durante il viaggio nello spazio sono: l'accelerazione, le radiazioni cosmiche, l'assenza di peso e la vita in spazio ristretto. Per quanto concerne l'accelerazione, è necessario, tanto alla partenza che all'atterraggio, contenerla in limiti sopportabili per l'uomo, sia munendolo di indumenti “anti-g”, sia facendogli assumere le posizioni più adatte a contenere gli effetti delle accelerazioni. Per le radiazioni cosmiche, non si può affermare con grande esattezza in quale misura esse siano nocive all'organismo umano. In ogni modo, gli astronauti sono protetti sia dalle pareti del loro veicolo, che è a tenuta stagna, sia dagli speciali indumenti che indossano anche tenendo conto della presenza, oltre l'atmosfera, di zone di grande concentrazione delle radiazioni (“fasce di Van Allen”).

L'assenza di peso può provocare squilibri nell'uomo, ritardare i suoi riflessi o togliergli il coordinamento dei movimenti. Tuttavia gli esperimenti fatti durante i voli degli astronauti sovietici e americani dimostrano che, se si esclude qualche disturbo, l'uomo può vivere nello spazio e in assenza di peso per un tempo anche molto prolungato. D'altra parte, poichè è probabile che, per i grandi viaggi interplanetari, il volo si effettuerà ad accelerazione costante, sono stati studiati sistemi per creare una gravità artificiale che annulli ogni inconveniente. Quanto alla vita in spazio ristretto, la resistenza umana è già stata sperimentata con successo per periodi di parecchi mesi. Però la permanenza dell'uomo nello spazio per periodi di una certa durata ha portato in diverse occasioni a disturbi fisici di varia natura, tra cui alterazioni del metabolismo, del ritmo cardiaco, dei tessuti muscolari e ossei e del sistema di equilibrio.
 

v Planetoidi artificiali e sonde spaziali


Tra  i vari veicoli lanciati nello spazio, quelli che hanno realmente compiuto della navigazione spaziale sono quelli che si sono sottratti all'attrazione terrestre perchè animati da velocità di liberazione. Essi hanno assunto il nome di planetoidi artificiali, sonde spaziali o anche razzi cosmici. Il primo è stato il “Lunik 1”, lanciato dai Sovietici il 2 gennaio 1959: pesava (compreso l'ultimo stadio del razzo vettore) 1.450 kg e, dopo aver percorso 370.000 km, è passato in vicinanza della Luna e ha continuato a solcare lo spazio in direzione del Sole, diventando un planetoide artificiale. Lo stesso è avvenuto per il “Pioneer 4” (6 kg), un minuscolo planetoide lanciato dagli Americani il 3 marzo 1959; la durata di questi due planetoidi è probabilmente illimitata. Da allora si è continuato a progredire costantemente: i Sovietici hanno lanciato il 12 settembre 1959 il “Lunik 2” (389 kg) che era radioguidato per tutto il suo percorso e che è caduto sulla Luna; il 4 ottobre hanno immesso in un'orbita comprendente insieme la Terra e la Luna il planetoide “Lunik 3” (278 kg), che ha trasmesso una fotografia dell'emisfero invisibile della Luna.

L'11 marzo 1960 sono stati gli Americani a compiere un altro importante progresso, lanciando la sonda spaziale “Pioneer 5” (43 kg) che, prima di entrare in orbita solare, ha trasmesso per 107 giorni una serie di dati sullo spazio interplanetario, mantenendosi in contatto radio con la Terra sino a oltre 32 milioni di km di distanza.

Ad analoghi risultati sono pervenuti i Sovietici con la sonda spaziale “Venusik” (643 kg) lanciata verso il pianeta Venere il 12 febbraio 1961. Vi è poi stata la serie americana delle sonde lunari “Ranger”, che avrebbero dovuto staccarsi a comando da satelliti artificiali immessi in orbite circumterrestri: i primi due lanci fallirono; la “Ranger 3”, lanciata il 26 gennaio 1962, mancò la Luna per eccesso di velocità ed entrò in un'orbita solare; la “Ranger 4”, lanciata il 23 aprile 1962, colpì la Luna dopo 64 ore; la “Ranger 5”, lanciata il 18 ottobre 1962, mancò la Luna per soli 725 km e finì in orbita solare. Due mesi prima, il 27 agosto 1962, gli Americani avevano lanciato anche la sonda spaziale “Mariner 2” (220 kg) che, dopo 109 giorni di viaggio, passava il 14 dicembre a circa 30.000 km dal pianeta Venere, trasmettendo per radio alle stazioni terrestri una fitta serie di dati rilevati dai suoi strumenti di bordo.

Notevole successo ebbe anche il “Mariner 4” (259 kg), lanciato da Cape Kennedy il 28 novembre 1964, il quale passando, dopo 228 giorni di navigazione nello spazio, a circa 8.000 km dal pianeta Marte, ne fotografò la superficie e ne trasmise le immagini alle stazioni terrestri, mentre la sonda continuava la sua corsa lungo un'orbita intorno al Sole.

Il 3 febbraio 1966 la sonda spaziale “Lunik 9”, dopo aver eseguito una discesa “morbida” nella zona del mare delle Tempeste, trasmise una serie di chiare immagini televisive della superficie lunare. Il 1° marzo 1966 un'altra sonda spaziale sovietica denominata “Venus 3”, lanciata il 16 novembre 1965, raggiunse per la prima volta la superficie del pianeta Venere dopo aver percorso 108.000.000 di km. Il 31 marzo 1966 i Sovietici lanciarono la sonda spaziale “Lunik 10” (peso degli strumenti: 245 kg), che dopo aver percorso 400.000 km fu immessa in un'orbita circumlunare (perigeo 350, apogeo 1.000 km).

Il 2 giugno 1966 la sonda spaziale americana “Surveyor”, del peso di 300 kg, si posò sulla superficie lunare dopo un volo di 370.000 km e inviò numerose fotografie e dati scientifici a terra.

Notevole interesse rivestirono poi i lanci di sonde spaziali per lo studio del sistema solare. Particolare rilievo assunsero le sonde sovietiche “Mars 2” e “Mars 3” che, entrate in orbita attorno a Marte il 27 novembre e il 2 dicembre 1971, espulsero capsule che eseguirono discese morbide sulla superficie del pianeta, e “Venus 8” che, entrata in orbita attorno al pianeta il 22 luglio 1971, sganciò una capsula contenente (come le precedenti) apparecchiature scientifiche, che si posò su Venere dopo una discesa morbida. Tra le sonde americane sono da segnalare il “Mariner 9” che, lanciato il 30 maggio 1971, si inserì in un'orbita attorno a Marte il successivo 13 novembre, trasmettendo immagini della superficie del pianeta e dati scientifici; il “Mariner 10”, lanciato il 3 novembre 1973, che passò a circa 5.800 km dalla superficie di Venere il 5 febbraio 1974, e il 29 marzo successivo a circa 760 km da quella di Mercurio, fornendo eccezionali fotografie dei due pianeti e dati scientifici di estremo interesse; e le due sonde “Pioneer 10” e “Pioneer 11”, lanciate rispettivamente il 3 marzo 1972 e il 3 aprile 1973 verso Giove, e poi passate in prossimità del massimo pianeta del sistema solare verso la fine del 1973 (la prima) e del 1974 (la seconda). Nell'agosto e nel settembre 1975 due vettori Titan 3C/Centaur lanciarono verso Marte due sonde bistadio (Viking, pesanti circa 3.400 kg), che entrarono in orbita attorno al pianeta dopo un viaggio di circa 9 mesi. Dalle sonde si staccarono gli stadi di discesa che si posarono, secondo la tecnica già utilizzata per le sonde lunari della serie “Surveyor”, sulla superficie di Marte tra il giugno e l'agosto 1976, analizzando quindi il terreno e trasmettendone riprese televisive; gli stadi orbitanti, per circa 3 mesi, eseguirono riprese fotografiche di Marte, studiarono le variazioni di temperatura ed effettuarono sondaggi per accertare la possibile presenza di acqua.

Le due sonde “Pioneer Venus 1 e 2”, lanciate rispettivamente nel maggio e nell'agosto 1978, hanno raggiunto Venere nel dicembre dello stesso anno. “Pioneer Venus 1” era stata predisposta per orbitare attorno al pianeta con lo scopo di compiere un esame radar della sua superficie e uno studio degli strati più alti della sua atmosfera. L'orbita della sonda è stata progressivamente abbassata rispetto al suolo passando da un'altezza massima di 66.000 km a un'altezza minima di soli 150 km. L'altra sonda constava di un modulo principale e di quattro sezioni separabili: tutti e cinque i componenti sono stati fatti cadere in siti diversi della superficie venusiana compiendo durante la caduta rilevamenti negli strati più bassi dell'atmosfera. Già nel 1975 le due sonde “Venera 9 e 10” erano atterrate sulla superficie di Venere e avevano trasmesso per la prima volta fotografie del suolo. Nel dicembre 1978 le altre due sonde sovietiche “Venera 11 e 12” sono state fatte discendere sulla superficie di Venere dove sono rimaste in attività per circa 110 minuti fornendo altre preziose informazioni, in particolare su intense e persistenti scariche elettriche in occasione di tempeste.

Prima delle sonde “Voyager” solo le sonde “Pioneer 10 e 11” si erano spinte al di là dell'orbita di Marte fornendo i primi dati sulle regioni più remote del sistema solare. La sonda “Pioneer 11”, lanciata nell'aprile 1973, transitò nel dicembre 1974 in prossimità di Giove e raggiunse nel settembre 1979 le vicinanze di Saturno passando al di fuori del sistema degli anelli. Allo scopo di raccogliere dati sui pianeti esterni e sui loro satelliti, nella seconda metà del 1977 sono state lanciate due sonde denominate “Voyager 1 e 2”. La sonda “Voyager 2”, lanciata nell'agosto 1977, è passata alla maggiore vicinanza da Giove nel luglio 1979 e in vicinanza di Saturno nell'agosto 1981. La sonda “Voyager 1”, lanciata nel settembre 1977, ha superato nel dicembre dello stesso anno la sonda gemella ed è quindi arrivata prima agli appuntamenti con Giove e con Saturno (nel marzo 1979 e nel novembre 1980 rispettivamente), avendo seguito una traiettoria più diretta. La sonda “Voyager 2” ha sorvolato Giove rivelando tutto un insieme di inaspettati particolari sulla costituzione del pianeta, sull'esistenza di un anello di materia e di nuovi satelliti e sulla struttura dei satelliti. Rispettando con grande precisione la sua tabella di marcia, “Voyager 2” ha poi raggiunto Urano il 24 gennaio 1986 e Nettuno i 24 agosto 1989 (dopo un viaggio durato 12 anni e 4 giorni).

L'avvicinarsi della cometa di Halley ha provocato una notevole attività scientifica e nel marzo 1986 ben quattro sonde interplanetarie hanno incrociato l'orbita della cometa a una distanza di circa 150 milioni di chilometri dalla Terra, per analizzarne da vicino le caratteristiche: si tratta delle due sonde sovietiche “Vega 1” e “Vega*2”, della sonda “Giotto*” dell'ESA e della “Planet A” giapponese, lanciata nell'agosto 1985 con un vettore M-3SII. La “Planet A”, pesante 140 kg, è dotata di una telecamera ad ultravioletti e di un analizzatore di particelle del vento solare: una sonda giapponese sperimentale, denominata “MS-T5”, è stata lanciata nel dicembre 1984 per collaudare il vettore, le manovre orbitali e i collegamenti a lunga distanza per la “Planet A”. La NASA non ha realizzato sonde specifiche per la cometa di Halley, ma ha deciso di utilizzare per la sua esplorazione il satellite ISEE (International Sun Earth Explorer), in orbita dall'agosto 1978 per studiare l'ambiente esistente tra Terra e Sole. L'ISEE, ridenominato ICE (International Comet Explorer), con l'accensione dei motori di assetto, sfruttando l'attrazione della Luna e grazie a una serie di cambiamenti orbitali, è arrivato, l'11 settembre 1985, a passare a 3.000 km dal nucleo della cometa Giacobini-Zinner (che ha un periodo di sei anni) per poi proseguire la sua rotta e attraversare la coda della cometa di Halley. Anche i Sovietici hanno compiuto una manovra analoga con le sonde interplanetarie “Venera 13 e 14”.

Dal Giappone, il 16 agosto 1985, ha preso il via la missione Suisei/Planet A, lanciata dal vettore Mu 3S, sempre per lo studio della cometa di Halley, quindi è stata la volta di “Phobos 1” e “Phobos 2”, sonde sovietiche per lo studio di Marte e del suo satellite.

Nel 1989 è stata lanciata la sonda “Magellano”, partita il 4 maggio con il compito di raggiungere l'atmosfera di Venere (la sua missione si è conclusa nel 1994 con la completa mappatura del pianeta realizzata grazie a un radar ad apertura sintetica); il 18 ottobre è stata lanciata la sonda “Galileo” (tre anni dopo la data prevista, a seguito del blocco dei voli spaziali determinato dalla tragedia del “Challenger”) che, dopo un viaggio di sei anni è entrata in orbita attorno a Giove e ha lasciato cadere sulla superficie del pianeta un modulo di esplorazione. Durante il viaggio, “Galileo” ha potuto anche fotografare due pianetini, Gaspra e Ida, rispettivamente nel 1991 e nel 1993; ha poi osservato fino a tutto il 1999 i principali satelliti di Giove, scoprendo tra l'altro ghiaccio e probabili oceani ad esso sottostanti su Europa e Ganimede.

 Nel 1990 è stata lanciata “Ulysses”, la prima sonda esplorativa dei poli solari; nello stesso anno è partita “Planet-A”, la prima sonda lunare giapponese.

“Clementine”, una sonda militare statunitense, lanciata nel 1994, ha segnato l'inizio di un rinnovato interesse della NASA per la Luna, obiettivo ben più plausibile di Marte per il possibile insediamento futuro di una colonia umana. “Clementine” ha fatto discutere molto gli scienziati, inviando dati che indicavano la presenza di acqua ghiacciata sul fondo di un cratere in prossimità di un polo lunare: se l'interpretazione dei dati suscitava perplessità in alcuni, per altri riapriva la prospettiva di una stazione umana permanente sul satellite. La presenza di ghiaccio è stata poi confermata (1998) dalla sonda “Lunar Prospector”.

Ma le ricerche sono continuate anche verso Marte su cui, il 4 luglio 1997, è discesa la sonda statunitense “Mars Pathfinder”, dopo un viaggio di 7 mesi. La sonda ha attivato pannelli solari, telecamera e antenna per le comunicazioni, e ha fatto scendere sul suolo di Marte il robot telecomandato esplorativo “Sojourner”.

In termini più generali, l'ultimo quarto del XX secolo ha visto un cambiamento complessivo dell'atteggiamento nei confronti dell'esplorazione spaziale, dovuto da un lato a problemi di ordine economico e propiziato d'altro dall'evolvere della situazione politica mondiale non più in conflitto bipolare. La distensione, inoltre, ha favorito la nascita e l'esecuzione di progetti di esplorazione congiunti, come quello della piattaforma spaziale internazionale “SSI” (la cui realizzazione nello spazio è iniziata nel 1998), o di cooperazione all'interno della stazione stessa, come è già accaduto sulla “Mir”. Sul piano strettamente scientifico, disponendo ormai di informazioni notevoli sulle caratteristiche dei singoli pianeti del sistema solare, l'accento si sposta sulla planetologia comparata, sulla ricerca di somiglianze e differenze fra i pianeti, che potrebbero aiutare a chiarire la nascita e la storia del sistema solare, e sull'approfondimento della conoscenza dei corpi minori del sistema, come pianetini, asteroidi e comete.

 

v Laboratori spaziali
 

Sono  destinati a ricerche tecnologiche di biologia, medicina spaziale, geofisica, astronomia e astrofisica. Per la loro dislocazione nello spazio sono postazioni ideali per le osservazioni astronomiche. Alla realizzazione di un laboratorio spaziale inizialmente si sono dedicati: gli Statunitensi con lo “Skylab”, i Sovietici con la “Saljut”, gli Europei, con la collaborazione americana, con lo “Spacelab”. Gli USA, terminata la corsa alla Luna con la sospensione del programma Apollo, si dedicarono al “programma Skylab” utilizzando i vettori “Saturno” residuati dal programma Apollo. Il programma si attuò con le missioni SL-2 (14 maggio-22 giugno 1973), SL-3 (28 luglio - 25 settembre 1973) e SL-4 (16 novembre 1973-8 febbraio 1974), nel corso delle quali sono stati eseguiti numerosi esperimenti scientifici ed è stata raccolta un'amplissima messe di dati interessanti l'astronomia (osservazione del Sole ai raggi X, della cometa Kohoutek, ecc.), la biologia, la meteorologia, la fisica, la medicina; sono stati inoltre eseguiti rilievi sulle risorse terrestri.

A loro volta i Sovietici, il 19 aprile 1971, inserirono in un'orbita circumterrestre la stazione orbitale “Saljut 1” priva di equipaggio. Dopo un tentativo non riuscito, il 6 giugno 1971, la missione “Sojuz 11” consentì a tre astronauti di salire sulla “Saljut” ove rimasero per 23 giorni stabilendo un nuovo primato di permanenza nello spazio (569h 40m), primato che, più volte migliorato, nel 1984 un equipaggio a bordo della “Saljut 7”, lanciata nel 1982, avrebbe portato a 238 giorni. Allorchè, però, gli astronauti della “Sojuz 11” iniziarono la manovra di rientro a terra, nella capsula si verificò una brusca depressurizzazione che provocò la morte dei tre membri dell'equipaggio. Dopo un periodo di stasi e l'insuccesso della “Saljut 2”, il 25 luglio 1974 veniva lanciata la “Saljut 3” che, raggiunta dalla “Sojuz 14”, consentiva a due astronauti di trasbordare in essa (5 luglio) ove rimanevano sino al 19, giorno in cui rientravano a terra. La “Saljut” continuò a lavorare autonomamente orbitando tra i 264 e i 286 km dalla superficie della Terra. Il 26 dicembre 1974 fu lanciata la “Saljut 4”, cui seguirono altre; dalla “Saljut 7”, nel luglio 1986, un equipaggio effettuò il primo trasferimento su una stazione orbitale (MIR), lanciata il 20 febbraio 1986. Quest'ultima, versione migliorata della “Saljut VI”, con il passare degli anni ha ospitato decine di astronauti e su di essa si è realizzata la prima collaborazione in campo astronautico tra Stati Uniti e Russia. La sua fine dovrebbe avvenire quasi in contemporanea all'inizio dell'attività della SSI (Stazione spaziale internazionale).

La SSI risponde a un progetto inaugurato nel corso degli anni Ottanta dagli Stati Uniti, inizialmente battezzato “Freedom”, che col tempo si è allargato ad altri paesi e che ha preso la denominazione prima di “Alpha” e infine di “SSI”. Per la sua realizzazione, da ultimarsi entro il 2005, è stata prevista una cinquantina di lanci (già iniziata nel 1998) statunitensi (circa la metà), russi ed europei (di “Ariane V”).

In Europa, il programma “Spacelab”, al quale sono state interessate alcune nazioni tra cui l'Italia, è stato realizzato sotto la direzione di un'industria tedesca. Il primo modulo dello “Spacelab” ha operato venendo installato nella stiva dello “Space Shuttle Columbia” in orbita dal 28 novembre all'8 dicembre 1983. Dopo quel volo di esordio è tornato nello spazio una decina di volte concludendo la sua attività negli anni Novanta.
 

v Navetta spaziale
 

L'espressione  designa un veicolo spaziale con struttura di aereo che raggiunge un'orbita terrestre a mezzo di un vettore a razzo, manovra in orbita e, per il rientro con propri propulsori, atterra come un aereo. La navetta spaziale è l'ultima scelta per l'utilizzazione dello spazio a scopi scientifici, militari e commerciali con mezzi valutati più sicuri ed economici.

Gli Statunitensi si sono impegnati a fondo nel programma “Space Shuttle” (navetta spaziale) perchè, grazie alla utilizzazione ripetuta dei veicoli, consente una forte riduzione dei costi per l'inserimento in orbita di un determinato carico e, in caso di necessità, può attuare il recupero o la rimessa in efficienza di satelliti in avaria. Il primo lancio in orbita di uno “Space Shuttle” è avvenuto il 12 aprile 1981 con il veicolo battezzato “Columbia”; in voli successivi sono stati utilizzati anche due altri veicoli orbitali, battezzati “Challenger” e “Discovery”, e sono stati svolti, con esiti alterni, diversi tipi di missione, quali l'immissione in orbita di satelliti artificiali, il recupero di satelliti guasti, esperimenti scientifici.

Di fronte a entusiasmanti risultati si sono avute anche missioni mancate, per cui la messa in orbita di satelliti con razzo vettore (come attuato dagli Europei) venne a volte giudicata più conveniente anche se più costosa, ma in definitiva più sicura. Il 18 gennaio 1986, quando il lancio delle “Space Shuttle” si susseguiva con una certa frequenza, il disastro al momento del lancio della navetta “Challenger” portò alla sospensione dei lanci, ripresi nel 1988, per un approfondito esame delle strutture e l'adozione di maggiori limiti di sicurezza. Il suo uso comunque è stato limitato sostanzialmente al trasporto di grandi carichi di interesse scientifico o commerciale. Nel 1995 sono iniziati due programmi di veicoli sperimentali, per vari aspetti più simili ad aeroplani, denominati X-33 (per carichi grandi) e X-34 (per carichi piccoli), rappresentanti di una nuova classe di veicoli denominati SSTO (Single Stage To Orbit). Studi analoghi sono stati avviati in Russia, e anche il Giappone ha progettato una mininavetta, battezzata “Hope”, basata su un concetto più tradizionale, più vicino a quello dello “Shuttle”, i cui primi lanci dovrebbero avvenire dopo il 2000.

La navetta spaziale sovietica, designata un tempo col termine cosmoplano, è stata associata al programma dei satelliti “Kosmos”; è priva di equipaggio e ha iniziato le prove d'impiego il 15 marzo 1983. La fase sperimentale ha visto l'impiego di veicoli simili allo “Shuttle” americano, di dimensioni minori a questo per scopi militari, e di capacità e dimensioni simili per scopi scientifici e commerciali. Il primo lancio è avvenuto nel novembre 1988.

In Europa i razzi vettori, in particolare l'“Ariane” dell'Agenzia spaziale europea, inaugurato nel 1979 e poi regolarmente aggiornato e migliorato, hanno avuto particolare successo e, inoltre, sono stati avviati diversi studi per la realizzazione di un sistema di trasporto spaziale recuperabile, al fine anche di garantire un buon grado di indipendenza dagli Stati Uniti: dal progetto “Hermes” del CNES, Centro nazionale di studi spaziali francese, all'HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing, decollo e atterraggio orizzontale) inglese, veicolo in grado di atterrare e decollare orizzontalmente, e perciò di offrire rilevanti vantaggi rispetto sia allo “Space Shuttle” sia all'“Hermes”.
 

v Satelliti meteorologici e per telecomunicazioni
 

L'attività  spaziale con veicoli non pilotati prosegue con particolare intensità con l'immissione in orbita di satelliti scientifici, meteorologici, per la navigazione, per le telecomunicazioni oltre che per scopi militari. Satelliti scientifici sono stati utilizzati per tracciare mappe dello spettro elettromagnetico della Terra, per ricerche astronomiche, per lo studio di raggi cosmici, micrometeoriti, radiazioni solari, ecc., e per il controllo delle risorse agricole e minerarie e dell'inquinamento; satelliti meteorologici tengono sotto continuo controllo gli spostamenti delle varie superfici della Terra, consentendo previsioni meteorologiche estremamente precise; satelliti per la navigazione consentono a navi e aerei di determinare in ogni istante con precisione la loro posizione, e sono di notevole aiuto a studi di geodesia, geodinamica e topografia; satelliti per telecomunicazioni consentono collegamenti rapidi e sicuri tra ogni parte della Terra, permettendo di smistare contemporaneamente diverse migliaia di messaggi, un numero assai superiore a quello realizzabile con i collegamenti via cavo; satelliti militari di vario tipo tengono sotto continua sorveglianza i territori dei potenziali nemici, ne sorvegliano le comunicazioni, controllano (e in alcuni casi sono in grado di distruggere) i satelliti militari avversari.

Nel corso degli anni Ottanta, la messa in orbita di 24 satelliti “Navstar” (posti a 19.600 km, compiono due orbite complete intorno alla Terra ogni giorno) ha consentito la realizzazione del sistema Global Positioning System (GPS), che permette a qualsiasi mezzo o persona, sulla terraferma, in mare o nell'atmosfera terrestre, di determinare con grandissima precisione la propria posizione sulla superficie della Terra e la propria altezza sul livello del mare. I satelliti emettono segnali controllati da orologi atomici, che possono essere captati e analizzati da dispositivi a terra ormai abbastanza compatti da poter essere trasportati da una persona. Il margine di errore è di una decina di metri.

Sviluppo enorme hanno avuto i satelliti per telecomunicazioni: il primo, lanciato nel 1965, poteva gestire solamente 240 circuiti telefonici contemporaneamente; alla fine del 1997, circa un terzo delle comunicazioni telefoniche di tutto il mondo e quasi tutte le trasmissioni televisive erano veicolate da satelliti. I grandi satelliti per telecomunicazioni sono collocati su orbite geostazionarie (in cui appaiono sempre fissi nella stessa posizione, poichè seguono esattamente la rotazione della Terra), a 36.000 km dalla superficie terrestre. Questa distanza è sufficiente a introdurre nelle comunicazioni telefoniche un ritardo di circa un quarto di secondo e richiede che l'antenna trasmittente a terra sia abbastanza potente e che quella ricevente sul satellite sia di grandi dimensioni e quindi molto costosa sia da realizzare sia da portare in orbita. Le dimensioni e la potenza dell'antenna emittente d'altra parte rendono difficile l'utilizzazione dei satelliti geostazionari per la telefonia cellulare personale: emissioni potenti da un'antenna collegata a un telefono che si tiene molto vicino all'orecchio sono dannose (e richiederebbero batterie altrettanto potenti per non esaurirsi rapidamente). Per questi motivi, per il potenziamento della rete telefonica internazionale sono stati progettati sistemi di satelliti posti in orbita a quote minori, in orbite basse al di sotto dei 2000 km, o in orbita intermedia intorno ai 10.000 km, che fondono caratteristiche delle comunicazioni via satellite tradizionali e della telefonia cellulare. Il primo sistema di questo tipo, in orbita bassa, denominato “Iridium”, è stato progettato e realizzato dalla società statunitense Motorola, si basa su una flotta di 66 satelliti posti a una quota di 780 km, distribuiti su sei piani orbitali polari: la sua entrata in funzione è avvenuta nel 1999 e ciascun satellite è in grado di gestire fino a 1100 comunicazioni telefoniche contemporaneamente. “Iridium” è solo uno dei tanti progetti per la telefonia personale via satellite presentati nel corso degli anni Novanta, fra i quali sono particolarmente interessanti “Globstar” (che ha già iniziato il posizionamento) delle società Loral e Qualcomm ed “ECCO” della Constellation Communications, con satelliti in orbita bassa (a 1414 e 2000 km rispettivamente), costituiti uno da 48 e l'altro da 46 satelliti; “ELLIPSO”, della Mobile Communications Holdings, e “ICO”, della ICO Global Communications (l'unico non statunitense), sono invece progetti per orbita intermedia, rispettivamente con 14 e 10 satelliti. L'uso di un'orbita intermedia permette di coprire con un unico satellite un'area della Terra più ampia, perciò i sistemi di questo tipo possono essere costituiti da una flotta di satelliti meno numerosa.

Oltre ai sistemi per la telefonia personale, sono in progetto anche altri sistemi di satelliti per le comunicazioni personali ma orientati alla trasmissione dati, in particolare al sostegno dell'ulteriore sviluppo della grande rete globale, Internet. Questi sistemi sono a uno stadio meno maturo dei precedenti e molti prevedono ancora l'uso di satelliti in orbita geostazionaria (Cyberstar della Loral, con 3 satelliti, Astrolink della Lockheed Martin con 9, Teledesic di Bill Gates) o di soluzioni ibride (Celestri della Motorola, con 63 satelliti in orbita bassa a 1400 km e 9 in orbita geostazionaria).

v Vettori

Per  la messa in orbita di satelliti, di laboratori e navette vengono utilizzati vari tipi di razzi vettori, la maggior parte dei quali deriva da missili strategici militari attraverso miglioramenti e potenziamenti dei singoli stadi, l'aggiunta di nuovi stadi più potenti e sofisticati ed eventualmente di propulsori ausiliari (booster) per aumentare la spinta, soprattutto al decollo. I vettori più significativi impiegati dagli Americani sono lo “Scout”, missile a quattro stadi con un peso totale a pieno carico di oltre 21.000 kg, alto 23 m e in grado di immettere un carico di 170 kg in orbita a 550 km di altezza o di 120 kg a 1.100 km (utilizzato anche per il lancio dei satelliti italiani “San Marco”); il “Thor-Delta”, per carichi da 500 a 1.500 kg. a due o tre stadi, destinato a un missile balistico a media gittata degli anni Cinquanta; l'“Atlas Centaur”, anch'esso derivato da un missile strategico militare e ancora impiegato per missioni militari, per programmi di ricerca e dalla NASA per programmi spaziali, dopo essere stato utilizzato per il programma “Mercury” e per il lancio di diverse sonde interplanetarie; il “Titan”, anch'esso in origine un missile balistico intercontinentale e utilizzato per il programma “Gemini” e modificato anche per missioni civili; del gigantesco missile “Saturno”, protagonista della conquista della Luna, sono stati utilizzati 13 esemplari (due per missioni “Apollo” senza uomini a bordo, 10 per missioni con equipaggio e uno per il lancio dello “Skylab”). Parzialmente smantellate le linee di produzione dei razzi vettori nel corso degli anni Ottanta, quando la soluzione ai problemi dello spazio sembrava essere la navetta “Shuttle”, i razzi vettori tradizionali delle serie Delta, Mercury e Titan sono tornati a rappresentare gli strumenti di lancio preferenziali degli Stati Uniti dopo la tragedia del “Challenger” del 1986.

Fra i lanciatori sovietici, al modello A-1, utilizzato per i primi lanci della serie “Lunik” e per le capsule “Vostok”, è succeduto il più moderno A-2, utilizzato per le “Voschod”, per voli “Sojuz” e “Progress” e, in versione con un piccolo terzo stadio aggiuntivo, per diversi altri lanci. Il B-1 (“Sandal”) derivato dal missile strategico SS-3 (“Syster”) è stato utilizzato per il lancio di satelliti “Kosmos” di peso inferiore ai 500 kg fino alla fine degli anni Settanta; del D-1 (“Proton”), realizzato appositamente per lanci spaziali e dotato di un sistema propulsivo di nuova concezione, sono state costruite diverse versioni, utilizzate per il lancio delle stazioni spaziali “Saljut”, di sonde interplanetarie, di satelliti artificiali, ecc.; l'F-1 (“Scarp”) è stato utilizzato solo per missioni militari della massima segretezza. Il razzo più potente in assoluto è stato tuttavia l'“Energia”, paragonabile per potenza al “Saturno 5” statunitense, realizzato nel corso degli anni Ottanta.

L'Europa ha messo a punto il già citato lanciatore “Ariane”, di cui sono state realizzate diverse versioni con spinta aumentata o con booster supplementari. L'“Ariane” ha avuto un successo commerciale notevole, arrivando a coprire il 60% delle commesse mondiali per il trasporto spaziale. La famiglia “Ariane-4” ha capacità di lancio variabile da 2,15 a 4,67 tonnellate in orbita di trasferimento geostazionario. La versione “Ariane-5”, per il trasporto di carichi fino a 6,8 tonnellate in orbita di trasferimento geostazionario, oppure 20 tonnellate in orbita bassa (500 km), messa in cantiere negli anni Novanta, ha iniziato la sua attività con qualche problema: il primo lancio, nel giugno 1996, dalla base della Guyana francese, è infatti fallito subito dopo il decollo per un errore del software di bordo, ma i lanci successivi hanno avuto pieno successo.

Altri lanciatori sono stati realizzati dal Giappone, con vettori della serie “Lambda” (quadristadio con 2 booster laterali, alti circa 17 m e con diametro di soli 73 cm) e “Mu” (quadristadio di maggiori dimensioni, con 8 booster laterali, capaci di portare in orbita carichi di circa 700 kg); il lanciatore N, utilizzato dal 1975, è la versione prodotta su licenza del “Thor-Delta” statunitense, dal quale è stato derivato il modello perfezionato N-2, di maggiori capacità. Nel 1994, poi, il Giappone ha iniziato l'impiego dell'H-II, in grado di portare in orbita geostazionaria un carico di 2 tonnellate, entrato poi in una fase di perfezionamento (al fine di ridurre i costi di lancio) che dovrebbe portarlo all'uso commerciale intorno al 2000. All'H-II si è affiancato dal 1996 un lanciatore di minori dimensioni, il J-1, in grado di portare 850 kg a 250 km di altezza.

La Cina ha utilizzato tre tipi di lanciatori, il “Lunga Marcia 1” (o CSL-1), derivato da un missile militare, e i più potenti “Lunga Marcia 2” (o CSL-2 o FB-1), di tipo e dimensioni simili al “Titan” americano, e “Lunga Marcia 3” (o CSL-3 o CZ-3), tristadio, che utilizza i primi due stadi dell'FB-1.

L'India, con il vettore SLV-3, ha realizzato un quadristadio adatto soprattutto al lancio di sonde, del quale sono previsti potenziamenti nell'ambito di programmi in cooperazione con Stati Uniti e Unione Sovietica; l'SLV-3 è riuscito nel 1980 a mettere in un'orbita ellittica di 300 per 900 km un carico di circa 40 kg. Nel corso degli anni Novanta poi l'India ha costruito a scopo commerciale il PSLV, lanciato per la prima volta con successo nel 1994 e in grado di portare 450 kg in orbita di trasferimento geostazionario.