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L’astronautica sovietica

La storia dell’esplorazione spaziale ha rappresentato la realizzazione del sogno più antico dell’Umanità: inviare un uomo nello spazio e farlo rientrare a Terra in sicurezza all’interno di una dedicata capsula spaziale.

Ciò che è accaduto negli ultimi cinquanta anni del secolo scorso rappresenta l’insieme degli sforzi effettuati dalle due principali potenze mondiali (U.S.A. ed U.R.S.S.) per raggiungere questo ambizioso obiettivo: in palio c’era (ed in parte ancora lo è) la superiorità nel campo della scienza e della tecnica, nonché una questione di prestigio ed orgoglio nazionale.

All’epoca questi ideali erano maggiormente sentiti, soprattutto se facciamo riferimento alla contrapposizione delle due ideologie politiche che al termine della Guerra hanno creato due nuovi ordini mondiali.

L’impresa di Yuri Gagarin fu il risultato finale di un intenso lavoro di ricerca, impegno ed investimenti che vide impegnato i migliori scienziati e ricercatori dell’epoca;  come spesso accade, il risultato finale venne realizzato grazie anche agli studi di fisica condotti da alcuni pionieri i quali pensavano che andare nello spazio fosse un obiettivo realizzabile e non relegato in un libro di Giulio Verne.

Fantascienza a parte, la possibilità reale di inviare un essere vivente nello spazio e farlo rientrare a Terra era già stata ipotizzata agli inizi del XX secolo: l’idea di base era di costruire un razzo vettore molto potente in grado di superare l’attrazione gravitazionale terrestre sulla superficie, ovvero una velocità maggiore a quella di fuga sulla Terra: 11 Km/s (circa 40300 Km/h). L’uomo avrebbe trovato sistemazione in un modulo abitativo in grado di garantirgli la sopravvivenza per tutto il viaggio.

Il primo a ritenere realizzabile quest’idea fu Konstantin Ciolkovskij (1857 – 1935): egli formulò l’equazione del razzo che è alla base della propulsione spaziale; essa lega la variazione di velocità con il rapporto fra la massa iniziale e finale del razzo alla partenza. Negli stessi anni ricordiamo anche il lavoro pionieristico del tedesco Herman Oberth (1894 – 1989) che disegnò la prima tuta spaziale e s’impegnò nello studio del funzionamento dei propulsori ed infine Robert Goddard (1882 – 1945), americano, il quale progettò il primo razzo a propellente liquido.

Nel decennio 1920 – 1930 l’intuizione di Ciolkovskij fu confermata e nel corso della Seconda Guerra Mondiale fu approfondita dai tedeschi interessati all’utilizzo dei razzi per scopi bellici. Il principale protagonista di quel periodo storico fu Wernher von Braun (1912 – 1977), da molti considerato il massimo esponente della storia dell’astronautica: grazie a lui si formarono moltissimi scienziati che, dopo il 1945, migrarono alcuni in U.R.S.S. ed altri in U.S.A.

Von Braun progettò le V2, una classe di missili balistici usati durante i bombardamenti tedeschi su Londra nel 1944: essi erano vettori molto precisi ed essendo portati da strutture facilmente manovrabili, rendeva le loro postazioni di lancio difficili da localizzare.

Le due maggiori potenze vincitrici della Seconda Guerra Mondiale (U.S.A ed U.R.S.S.) pensarono che i missili balistici intercontinentali (ICBM) con propulsione a razzo fossero il mezzo migliore per trasportare un ordigno nucleare. Iniziò così la corsa agli armamenti che, unitamente alla contrapposizione sul piano ideologico, sfociò in uno stato di tensione ed equilibrio del terrore noto come Guerra Fredda.

Questa situazione portò allo sviluppo di nuove discipline nel campo della scienza come la ricerca nucleare e la missilistica; l’Unione Sovietica fece tabula rasa di quello che rimaneva delle industrie tedesche, appropriandosi della tecnologia delle V2: nacquero così i missili balistici R1.

Sergei Korolev. Fonte http://www.thespacereview.com

Il direttore del programma di ricerca missilistica sovietica dell’epoca era Sergei Pavlovich Korolev (1907 – 1966), un ingegnere ucraino che negli anni 1930 s’interessò della costruzione di razzi a propellente liquido. L’ingegnere, che conobbe i campi di valoro nel 1938, riuscì a realizzare il primo razzo sovietico a propellente liquido e il primo R1.

Dal punto di vista tecnologico l’U.R.S.S uscì vittoriosa nel confronto con gli U.S.A. dalla prima fase alla corsa allo spazio (1948 – 1961) ed il volo di Gagarin, che in seguito descriveremo, rappresenta il punto più alto raggiunto dai sovietici ed una grossa vittoria nei confronti dell’avversario politico; ma da dove nacque questa superiorità sovietica? Una risposta plausibile può essere la seguente: gli U.S.A. erano superiori e più avanzati dal punto di vista della tecnologia nucleare: potevano costruire bombe più leggere e compatte che non richiedevano vettori potenti per il trasporto. Questo vantaggio iniziale divenne uno svantaggio per gli americani nel dopoguerra, quando i russi, che usavano dispositivi nucleari più semplici ma più pesanti, erano costretti ad usare lanciatori più potenti.

L’U.R.S.S. si trovava così in una posizione di vantaggio tecnologico poiché poteva contare su vettore con una capacità di carico maggiore rispetto a quelli americani, quindi più adatti a trasportare sonde, capsule …

L’obiettivo del programma sovietico era ambizioso: mandare il primo essere umano della storia nello spazio in una capsula che lo protegga, compiere un’orbita intorno alla Terra e farlo rientrare vivo. L’obiettivo finale fu raggiunto tramite gli obiettivi intermedi qui sotto elencati: non mancarono anche insuccessi e fallimenti che, come si sa, formano ed aiutano a crescere:

  • Invio di un satellite in orbita intorno alla Terra.
  • Invio di un essere vivente (un cane, una scimmietta) in orbita. Non è richiesta alcuna fase di rientro.
  • Studio della fase di rientro con altri esseri viventi e manichini.
  • Invio e rientro di un essere umano

Vedremo prossimamente come si concretizzò questa fase propedeutica al volo di Gagarin

(continua)

Bibliografia

Glonass & Galileo

Il sistema di posizionamento GPS americano è oggigiorno quello più conosciuto e diffuso fra le istituzioni nazionali e i cittadini, ma non è l’unico a livello mondiale; ci sono altri due tecnologie a cui corrispondono altrettante costellazioni di satelliti e corrispondenti ricevitori: il Glonass e Galileo. Essi sono nati per superare limitazioni imposte dai governi, per migliorare la precisione del punto nave oppure per difesa nazionale nel periodo della Guerra Fredda.

La diffusione della tecnologia GPS nei dispositivi portati è oggi assai diffusa; in commercio si trovano moduli GSP a basso costo (70 Euro circa), ma, come abbiamo visto, è interamente controllato dagli americani; essi possono decidere in qualunque momento (ad esempio in caso di conflitti) di spegnere il segnale su una parte del globo terrestre senza alcun preavviso compromettendo di fatto il funzionamento dei ricevitori. Prima del 2 Maggio 2000 inoltre, il segnale GPS per uso civile veniva volutamente degradato in quanto era ritenuto troppo preciso; solo con l’intervento del Presidente Bill Clinton questa limitazione è stata tolta.

Diamo ora uno sguardo al Glonass ed a Galileo tenendo presente che questo articolo non vuole essere una descrizione dettagliata del funzionamento di queste due tecnologie, ma dare uno sguardo d’insieme per farsi un’idea.


Glonass è l’acronimo di GLObal’naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, un sistema di posizionamento progettato dall’URSS all’inizio degli anni ‘80 per scopi militari (guida di missili balistici) e che in seguito allo scioglimento dell’Unione Sovietica dal 1995 viene utilizzato (anche) per scopi civili. Ci sono profonde differenze sia nelle frequenze di trasmissione delle due portanti L1 e L2 (si rimane comunque oltre un GHz), sia nel riferimento temporale, ma non c’è il degrado del segnale per usi civili. La stazione master di gestione si trova a Mosca, mentre la telemetria è gestita dalle stazioni di San Pietroburgo, Ternopol (UA) e Komsomolsk-na-Amure (RU). E’ comunque possibile trovare in commercio ricevitori combinati GPS/Glonass in un unico apparato in cui si imposta il modo di funzionamento.

Per altri approfondimenti quali la costituzione della costellazione, i tipi e le orbite dei satelliti e la struttura della rete si faccia riferimento, ad esempio, a questo sito.


Galileo è un sistema di posizionamento progettato dall’ESA e finanziato dagli stati membri dell’Unione Europea in proporzioni differenti a seconda del Paese. Il sistema non è completo, ma quando lo sarà (si prevede nel 2014) avrà in consegna diversi compiti; i principali (quello per cui è stato progettato) sono di fornire una maggior precisione e copertura del segnale anche a latitudini molto alte.

il sistema fornirà servizi con continuità, i quali sono stati classificati in:

  • Open Service: è un servizio gratuito di navigazione, controllo flotte con una precisione maggiore rispetto al GPS.
  • Public Regulated Service: è un servizio basato su un segnale cifrato usato dagli organi di PS e controllato dai governi UE, come ad esempio sistemi UAV (droni telecomandati) e sistemi di telecontrollo ferroviari e navali.

Il costo complessivo dell’opera si stima in 3,4 miliardi di Euro ed alla costruzione del sistema sono impegnati sia enti pubblici che privati, i quali, a lavoro terminato, potranno partecipare agli utili generati dalla vendita dei servizi (un obiettivo su cui si sta ancora oggi discutendo su come e in base a quali accordi). Gli Stati Uniti, anche perché vedono in Galileo un futuro concorrente, ribattono dicendo che i costi sono stati ampiamente sottostimati e prevedono che i costi reali saranno almeno il doppio.

Il sistema è anch’esso costituito da una costellazione di trenta satelliti in orbita circolare ed orbitano a un’altitudine di 24000 Km circa che consentiranno l’individuazione di un oggetto con uno scarto massimo di 4 m; lavora su bande differenti rispetto al GPS ed utilizza la tecnica CDMA.

Ci saranno 14 stazioni al suolo in vari punti del globo connesse alle centrali europee di controllo per consentire il corretto funzionamento dei satelliti: fra le quali citiamo il centro Telespazio nel Fucino (AQ) ed il centro di Oberpfaffenhofen (in Germania).

Per concludere, ecco una breve tabella riassuntiva dei tre sistemi presentati in questa serie di articoli:

NomeGPSGLONASSGALILEO
N° Satelliti24/287/1230 satelliti (a regime)
Progettato nel:19831982In corso
GestoreUSARussiaUE
Stato del progettoOperativoOperativo/In corso di aggiornamentoFinanziato ed avviato
CaratteristicheDisponibili due livelli di sicurezzaCopertura mondiale incompletaBuona copertura/alta precisione/servizi mirati

Bibliografia

  • “GPS Global positioning System” Werner Kumm – Mursia
  • “ElettronicaIn”, Febbraio 2011 – Articolo di Davide Scullino

GPS – Come funziona

Il concetto base di funzionamento del GPS è la triangolazione satellitare, e in questa prima parte dell’articolo sarà considerato il caso ideale. Anzitutto il ricevitore misura la distanza da almeno tre satelliti che sono nel suo campo di visibilità; grazie alle effemeridi sa quali sono, e quindi può scegliere fra quelli che hanno il segnale con migliore qualità. A questo punto il ricevitore calcola il tempo impiegato dal segnale radio a raggiungere il ricevitore basandosi sul ritardo di fase (e di sincronizzazione) del segnale CDMA trasmesso dall’n-esimo satellite, quindi ottiene la distanza dal satellite secondo la seguente formula:

c [m/s] x t [s]= d [m]

dove c è la velocità della luce, t è il tempo misurato dal ricevitore e d è la distanza dal n-esimo satellite.

Il ricevitore ripete il calcolo con gli altri satelliti e identifica sulla superficie terrestre il punto d’intersezione delle tre superfici direttrici ottenute unendo i punti equidistanti da ogni satellite di riferimento; tale punto, chiamato punto nave, rappresenta la posizione del ricevitore sulla superficie terrestre. La Terra, come sappiamo, non è una sfera ed il ricevitore ne tiene conto utilizzando un modello matematico della Terra noto come WGS84 per le sue misure geodetiche.

Vediamo ora che tipo di orologi sono presente nel ricevitore e nei satelliti: l’orologio a bordo del satellite è molto preciso (è un orologio atomico), mentre quello presente nel ricevitore è molto più semplice (al quarzo); per queste ragioni il punto nave non è un punto ma è rappresentato da un’area d’indecisione come quella mostrata in figura:

Particolare della triangolazione satellitare (Fonte: Vedi bibliografia)

Il triangolino nero identifica l’area d’indecisione; si tratta di un’area, ma se i lati del triangolo sono molto schiacciati, possiamo approssimarla come un segmento di lato pari all’ipotenusa del piccolo triangolo. Questo nuovo valore ottenuto trasformando una superficie in un termine di lunghezza si chiama HDOP (horizontal dilution of precision) e fornisce l’informazione sulla precisione del punto in orizzontale.

In alcuni ricevitori portatili è possibile estrarre il segnale numerico in arrivo dal satellite: si tratta di una sequenza di caratteri che identificano una serie d’informazioni raggruppati secondo lo standard di riferimento è NMEA-0183 introdotto dalla marina americana. (National Marine Electronics Association)

Ecco di seguito un esempio di un sottoinsieme di stringhe NMEA estratte da un ricevitore GPS collegato tramite una seriale (parametri 8-N-1) al ritmo di una stringa al secondo.

...
$GPGGA,201204.123,4543.4576,N,01233.9797,E,1,06,15.1,19.7,M,,,,0000*1F
$GPRMC,201204.123,A, 4543.4576,N, 01233.9797,E,0.00,55.45,211200,,*25
...

Nel nostro caso il punto GPS è valido, il ricevitore “vede” sei satelliti con un HDOP di 15,1 metri.

Abbiamo visto che ogni satellite è identificato da un codice ed adotta un codice pseudo casuale univoco per spalmare il suo segnale su uno spettro ampio. Tale codice si chiama PRC (Pseudo Random Code) ed è utilizzato dal ricevitore per sincronizzarsi sul segnale del satellite n-esimo e consente alla costellazione di satelliti di utilizzare la stessa frequenza in trasmissione.

Altre fonti di errore che il GPS deve tenere in considerazione per il suo corretto funzionamento derivano dall’effetto gravitazionale della Luna e dalla pressione di radiazione solare; il sistema quindi richiede delle correzioni relativistiche, in particolare:

  • a causa della forza di gravità terrestre (a 20000 Km dalla Terra è circa ¼ di quella terrestre) gli orologi di bordo anticipano di 45 ms rispetto agli orologi di terra delle stazioni base.
  • a causa della velocità orbitale dei satelliti (circa 14000 km/h) gli orologi ritardano di 7 ms al giorno.

Come conseguenza di queste affermazioni, occorre una correzione di 45 – 7= 38 ms al giorno per fornire dati GPS più accurati; tali errori sono compensati con segnali aggiuntivi che provengono dalle stazioni base terresti di riferimento.

Bibliografia

  • “GPS Global positioning System” Werner Kumm – Mursia
  • “Introduzione ai sistemi di comunicazione” Guido Tartara – Etaslibri
  • “Il nostro Einstein quotidiano” Philip Yam – Le scienze – Novembre 2004