Categoria: Astronautica

Le sfide del Progetto Mercury

Con l’ultimo volo della Mercury 7 (MA-9) di Gordon Cooper da lui battezzata Faith 7 si chiudeva il 15 maggio 1963 il progetto Mercury: il volo aveva completato 22 orbite intorno alla Terra e, nonostante un problema durante il rientro, aveva segnato un altro successo tangibile per il programma spaziale americano.  Lo scopo principale del progetto Mercury era quello di studiare la fattibilità e le problematiche connesse alla sostenibilità e adattamento di un essere umano nello spazio considerando sia le problematiche ingegneristiche che eventuali limiti fisiologici e psicologici. L’Unione Sovietica di certo non rimaneva alla finestra ad attendere: poche settimane dopo, infatti, i comunisti rispondevano con il lancio della Vostok V (14 giugno 1963) seguita immediatamente con il lancio della Vostok VI (16 giugno 1963) con a bordo la cosmonauta Valentina Tereškova.

Astronauta sorridente all'interno di una navetta spaziale, mentre manipola tubi e apparecchiature elettroniche.
Gordon Cooper dopo l’ammaraggio della sua Faith 7. Fonte: NASA
Parade in una strada affollata con motociclette e veicoli, una folla di spettatori sul lato della strada e gruppi di bambini in costume che partecipano all'evento.
Ticket parade a Houston per Gordon Cooper.
Fonte: https://www.houstonchronicle.com

Nel frattempo, il progetto Gemini ed Apollo era già iniziato (il MIT aveva vinto l’appalto dell’AGC nell’estate del 1961) e la fine del Mercury aveva accelerato il travaso di conoscenze ai progetti successivi. Nell’ottobre 1963 infatti, un mese prima dell’assassinio di J. F. Kennedy, si era tenuto il congresso conclusivo del progetto Mercury a Houston per la durata di due giorni. L’obiettivo era quello di mettere in luce e sfruttare il bagaglio di esperienze e miglioramenti che il personale tecnico e dirigenziale ha dovuto affrontare per raggiungere lo scopo del progetto. In quell’occasione si è discusso anche delle enormi problematiche affrontate in quegli anni tra cui: i ritardi nella consegna dei moduli, le ore di straordinario, le ispezioni del materiale, gli assemblaggi ed i malfunzionamenti trovati.  Il progetto Mercury inoltre ha dato l’opportunità alla giovane NASA di valutare anche l’introduzione dei principi di automazione e controllo a bordo della capsula: i risultati avevano mostrato come nonostante l’uso della macchina fosse irrinunciabile, la supervisione e l’intervento dell’astronauta nelle fasi decisionali di volo si era dimostrato fondamentale. Questo concetto conosciuto come human-in-the-loop è riconosciuto ancora oggi nella progettazione delle missioni spaziali.

Facciata del Coliseum con un razzo e un'insegna che annuncia il progetto NASA Mercury.
Il luogo del convegno allo Houston Coliseum (TX) del 1963.

Complessivamente il progetto Mercury era durato 55 mesi (1958-1963) con un ritardo sulla pianificazione del primo volo di John Glenn di ben 22 mesi: pianificato per l’aprile 1960 la Friendship 7 (MA-6) venne lanciata il 20 febbraio 1962. Il progetto ha dato lavoro a più di due milioni di persone tra personale tecnico, civili e militare. I costi erano lievitati a 384 milioni di dollari (di quegli anni, ovvero circa 2 miliardi di dollari oggi) e la NASA ha dovuto risolvere problemi tecnologici e medico-sanitari, imparare a lavorare in microgravità, costruire nuovi edifici e validare nuove metodologie di project management. Al termine del congresso tutti i presenti potevano ritenersi soddisfatti, un po’ meno però i giornalisti presenti.

Visto gli atti conclusivi del congresso la domanda che gli Stati Uniti si ponevano era la seguente: il programma spaziale americano gode ancora del consenso fra i cittadini che pagano le tasse? Ogni giorno c’erano nuovi problemi da affrontare, sempre più impegnativi che richiedevano sempre maggior denaro pubblico. Nessuno dei due schieramenti politici americani che si stavano preparando alla tornata presidenziale dell’anno successivo (1964) si chiedeva se effettivamente il programma spaziale avesse bisogno di consenso. La corsa allo spazio poteva essere vista come supremazia ideologica nei confronti dell’avversario comunista, come motore per la ricerca scientifica o per i benefici tecnologici, come crescita economica oppure come un grande distributore di posti di lavoro pubblici, soprattutto nella fascia meridionale degli Stati Uniti più agricola soprannominata The Sun Belt.

Ritratto in bianco e nero di un uomo anziano che indossa occhiali, un completo scuro e una cravatta con motivo.
Alvin Martin Weinberg (1915-2006) Fonte: https://ahf.nuclearmuseum.org/ahf/profile/alvin-m-weinberg/

Anche il mondo doveva affrontare crisi profonde come l’aumento della popolazione mondiale, la crisi alimentare, la proliferazione delle armi nucleari e le diseguaglianze sociali. E allora, perché la Luna? Per alcuni era meglio spedire sonde per esplorare lo spazio onde evitare la prospettiva di perdere un essere umano (un costo elevato), altri avevano opinioni diverse e tra quelle che alimentavano maggiormente il dibattito c’erano alcuni sostenitori del pensiero di Alvin M. Weinberg (1915-2006) un fisico americano vincitore del premio Fermi che all’epoca era direttore della commissione per l’energia atomica dell’Oak Ridge National Laboratory.

Egli sosteneva una tesi molto forte e diceva: “la maggior parte degli americani preferisce appartenere ad una società in cui prima sia dia al mondo una cura per il cancro piuttosto che una società in cui portare il primo astronauta su Marte”.

Una domanda che pone degli interrogativi su che cosa la scienza deve indirizzare i suoi sforzi ma che dietro le quinte nasconde alcune limitazioni. Questa opinione all’epoca voleva mettere in evidenza l’aspetto funzionale della ricerca e di come dovrebbero essere spesi i soldi pubblici: il processo decisionale avrebbe dovuto seguire delle priorità che erano funzionali alla soluzione prioritaria dei problemi sociali e culturali della popolazione. La ricerca scientifica doveva essere guidata esclusivamente in tal modo (in questo caso la ricerca oncologica) stabilendo passo dopo passo i problemi sociali da risolvere a cui l’ingegneria e la scienza avrebbero dovuto dare risposte. Poiché le risorse sono limitate ed il merito guida l’assegnamento delle risorse alla ricerca, non vi è alcuno spazio di manovra per altri finanziamenti con la conclusione di dover affrontare i problemi della società in maniera razionale uno alla volta in base ad una lista di priorità.  Si tratta di una visione utilitaristica della scienza ove si privilegia la parte pratica anziché la pura conoscenza in sé.

Questo modo di intendere la ricerca scientifica si chiama technological fix ma oggi non è condiviso da tutti in quanto pensa di risolvere i problemi sociali con una soluzione tecnologica ad hoc come se si trattasse di aggiustare un guasto ad un’apparecchiatura meccanica senza considerare che il fixing può introdurre altri problemi che non si possono risolvere a meno di applicare un fix successivo e così via … Il rischio è che continuando ad applicare un fix dopo l’altro si perda di vista la radice dei problemi. Sappiamo che il mondo reale è molto complesso dove intervengono fattori interni ed esterni, vincoli, priorità e dinamiche sociali che non sempre si possono “aggiustare” come se fossero un guasto ad una macchina, pertanto il pensiero di Weinberg, anche se condivisibile, trova difficile applicazione. Per concludere vorrei riportare le parole di Hugh Dryden, un altro fisico americano amministratore associato della NASA negli anni ‘50, a proposito del programma Apollo presente nel libro citato in bibliografia:

“[…] l’impatto può essere paragonato ai grandi sviluppo della storia passata come Copernico […], al lavoro di Sir Isaac Newton […] con la legge di gravitazione universale e alla rivoluzione industriale o agli altri grandi riferimenti della storia dell’Umanità.”

Purtroppo, egli non ha potuto assistere allo sbarco perché Hugh ci ha lasciati nel 1965 quando l’America era impegnata nel progetto Gemini. Oggi noi stiamo assistendo al ritorno sul nostro satellite naturale da parte enti pubblici in collaborazione con enti privati (all’ombra della Cina) e, nonostante i problemi sulla Terra, noi dobbiamo incrociare tutte le dita.

Bibliografia

  • S. I. Gass, “Project Mercury’s man-in-space real-time computer system: you have a go, at least seven orbits” in IEEE Annals of the History of Computing, vol. 21, December. 1999,
  • Major Events Leading to Project Mercury https://www.nasa.gov/history/SP-4001/p1a.htm
  • This New Ocean: A History of Project Mercury,  Loyd S. Swenson Jr. (Author), James M. Grimwood (Author), Charles C. Alexander 
  • Criteria for scientific choice. Alvin M. Weinberg 1963.

Artemis 2 Pre lancio – Registrazione

Registrazione della conferenza “Artemis 2: la fase di pre-lancio”  effettuata presso la sede del GAV (Villasanta) il 30 gennaio 2026. I contenuti audiovisivi della conferenza (audio e video) sono distribuiti con Licenza Creative Commons CC-BY-NC-SA

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Sfera di Hill

La definizione di sfera di Hill è dovuta al lavoro dell’astronomo W. Hill che, in maniera indipendente dall’astronomo E. Roche, arrivarono entrambi alla stessa definizione. Per questo motivo viene chiamata anche sfera di Roche1. L’obiettivo è rispondere alla seguente domanda: perché la Luna orbita intorno alla Terra e non intorno al Sole visto che è un corpo più grande intorno al quale anche essa orbita?


Consideriamo un sistema di tre corpi m1, m2 ed m3 con m1 > m2 ed m2 >> m3 (come ad esempio il sistema Sole-Terra-Luna). Il corpo di massa puntiforme (m3) si muova assieme ad m2 intorno ad m1 con velocità angolare \omega costante ad una distanza d. Quindi:

		\omega^{2} = \frac{G \space\ m_{1}}{d^{3}}

Consideriamo ora le due forze gravitazionali \overrightarrow{F}_{m_{1}} ed \overrightarrow{F}_{m_{2}} che agiscono sui corpi m1 ed m2 in rotazione intorno ad un comune centro di massa e calcoliamo il limite superiore della regione di spazio per cui le azioni gravitazionali eguagliano quella dovuta all’accelerazione del moto circolare:

		\frac{G \space\ m_{2}}{R^{2}_{HILL}} - \frac{G \space\ m_{1}}{(d - R^{2}_{HILL})^{2}} + \omega^{2} (d \pm R_{HILL}) = 0 

Sostituendo \omega nell’espressione sopra ed applicando l’approssimazione al primo ordine al denominatore possiamo ottenere un valore approssimato del RHILL per un pianeta di massa m2 in orbita circolare intorno ad m1.

		R_{HILL} \simeq d \space\ \sqrt[3] {\frac{m_{2}}{3 \space\ m_{1}}} 
Diagramma che illustra il concetto di sfera di Hill, mostrando le forze gravitazionali in un sistema di tre corpi: il Sole (m1), la Terra (m2) e la Luna (m3).
Gli attori principali con i parametri in gioco per il calcolo della sfera di Hill. Disegno di Giorgia Rizzi.

Nel caso di un’orbita ellittica si ottiene invece:

		R_{HILL} \simeq d \space\ (1 - e) \sqrt[3] {\frac{m_{2}}{3 \space\ m_{1}}}

dove e corrisponde all’eccentricità dell’orbita di m2. Sostituendo le costanti note della Terra e della Luna si ottengono i seguenti valori:

  • RHILL della Luna: 61532,11 km (33224.69 nmi)
  • RHILL della Terra: 1496229,36 km (807899.52 nmi)

La sfera di Hill è la più grande regione di spazio ove l’azione delle tre forze è diretta verso il secondo corpo m2 cosicchè sia gravitazionalmente dominante: un terzo corpo molto più piccolo di massa puntiforme m3 potrebbe orbitare intorno ad m2 in maniera stabile.

La sfera di Hill si estende fino a lambire i punti lagrangiani L1 ed L2 ma non coincide con essi: nei punti L1 ed L2 l’orbita non è stabile e piccole perturbazioni possono cambiare l’orbita di m3.
Abbiamo la risposta alla domanda posta all’inizio del paragrafo: anche se dal punto di vista statico il Sole esercita una maggiore attrazione gravitazionale sulla Luna di quanto faccia lo stesso sulla Terra, la Luna orbita all’interno del RHILL della Terra con una velocità angolare tale da controbilanciare l’eccesso di attrazione del Sole; l’influenza gravitazionale della Terra domina su quella del Sole ed impedisce alla Luna di abbandonare la sua orbita per quella di un altro corpo celeste.
Il concetto di sfera di Hill è applicabile ad ogni corpo celeste, anche all’oggetto m3 che si trova nella sfera di Hill del corpo m2 intorno al quale orbita. Questo significa che potrebbero esistere satelliti di oggetti celesti i quali possiedono a loro volta satelliti: il condizionale è necessario perché sono necessarie altre ipotesi, tra cui:

  • il satellite m3 deve essere in grado di resistere alle forze di marea del corpo celeste al quale è legato: non deve orbitare all’interno del limite di Roche.
  • la distribuzione di massa di m2 è supposta uniforme, altrimenti le forze in gioco cambiano.

La missione Apollo 16, per esempio, nonostante alcuni problemi è riuscita a dispiegare in orbita lunare il piccolo satellite PFS-2 (Particles & Fields Subsatellite). Il satellite era inclinato di 10° rispetto all’equatore lunare con un periselènio di 90 km ed aposelènio di 130 km: aveva un’orbita prograda con un periodo orbitale di 120 minuti ma purtroppo, anche a causa dei mascon2 lunari, precipitò sulla Luna 34 giorni dopo.

Schema della configurazione del sottosatellite dispiegato, con indicatori per le antenne, i pannelli solari e il magnetometro.
Configurazione del Satellite PFS delle missioni Apollo.
Fonte: https://tinyurl.com/4nsd524n

Concludiamo la discussione precisando che l’analisi numerica del problema evidenzia che le orbite in prossimità di RHILL non sono stabili su lungo periodo: orbite stabili dipendono dalla distanza di m2 e dall’inclinazione dell’orbita di m3. In questa figura viene mostrato un confronto tra la dimensione del raggio della sfera di Hill e di Laplace per la Luna: la sfera di Hill della Luna ha un raggio più piccolo.

Bibliografia

  • Astrodynamics II Edition 2006 – 07 – Ver. 2.0.1 Guido Colasurdo – Dipartimento di Energetica. Teacher: Giulio Avanzini. Dipartimento di Ingegneria Aeronautica e Spaziale
  • Generalized Hill-stability criteria for hierarchical three-body systems at arbitrary inclinations. Evgeni Grishin, Hagai B. Perets, Yossef Zenati, Erez Michaely. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Vol 466, num=1, Aprile 2017). Oxford Academic

Note

  1. Non confondere la sfera di Roche con il lobo di Roche (si riferisce all’evoluzione stellare di un sistema di stelle binario) oppure con il limite di Roche (si riferisce alle forze mareali che agiscono su un corpo di massa distribuito nelle vicinanze di un altro più grande). ↩︎
  2. Il termine mascon è l’acronimo di mass concentration e indica una differente concentrazione di massa rispetto alle zone circostanti. Sulla Luna i mascon si trovano nelle zone dei mari sulla faccia a noi visibile del satellite: essi vennero inizialmente analizzati già nella missione Apollo 8. ↩︎