Foundamentals of spacecraft technology

Space environment

Bisogna avere una piena conoscenza dell'ambiente spaziale dato che sarà il luogo di lavoro dei nostri satelliti. Ovviamente è molto differente dall'ambiente che troviamo sulla superficie terrestre, ci sono molti parametri che vanno presi in considerazione per la progettazione dei satelliti. Abbiamo una buona conoscenza dell'ambiente spaziale in LEO, meno nell'ambiente interplanetario. In LEO vi è la maggior attività spaziale.

Caratteristiche principali

• Alto vuoto, no trasferimento di calore convettivo, se un corpo si surriscalda molto non ha la possibilità di cedere calore all'atmosfera come sulla Terra, temperature estreme. Pressione tende a zero.
• Specie chimiche aggressive: ossigeno atomico (soprattutto in LEO).
• Radiazione elettromagnetiche ad alta energia dal Sole non sono schermate, dato l'assenza o leggera presenza di atmosfera a seconda dell'orbita.
• Radiazione di particelle (protoni, ioni, ecc) dovute alle fasce di Van Allen, raggi cosmici.
• Detriti spaziali e micrometeoriti.
• No vapore acqueo, acqua molto aggressiva (corrosione).
• No vento, no azioni aerodinamiche, design strutturali più semplice.
• Ambiente molto pulito, no contaminazione da particelle.
• Zero effetto della gravità, microgravità: forza centrifuga bilancia attrazione gravitazionale. Strutture allungate senza problemi. (Può avere anche effetti negativi, oggetti possono volare ovunque senza controllo)

Molti metalli assorbono gas dall'atmosfera sulla superficie, nello spazio essendo all'esterno una pressione quasi nulla, questi gas vengono rilasciati nello spazio (per lo Shuttle due giorni per outgassing).

Il Sole

Il Sole è alimentato dalle reazioni nucleari che avvengono al suo interno. Il vento solare: flusso continuo di particelle cariche elettricamente (soprattutto protoni) con velocità media di 400 km/s e densità di 5 cm^-3 ad 1 AU, vengono espulse verso l'esterno in tutte le direzioni, agendo sotto l'azione di forze gravitazionali ed elettromagnetiche. La densità decresce con la distanza dal Sole. (Vele solari non hanno a che fare con vento solare, sono spinte dalla luce, radiazioni elettromagnetiche).

Il sistema fisico è un detector della quantità di radiazione elettromagnetiche che impattano su una certa superficie. Consideriamo una sup di 1mq ad una certa lunghezza d'onda e si va a misurare la potenza, ed è la quantità di potenza raccolta dalla superficie a quella certa lunghezza d'onda ad 1 AU.

Superficie perpendicolare al flusso. Linea rossa: spettro radiazione solare. Grafico della potenza associata ad ogni lunghezza d'onda per unità di superficie del detector. Per lunghezze d'onda corte la potenza è molto bassa, non nulla, mentre nel visibile si ha la maggior parte della potenza proveniente dal Sole. Da 700 nm fino a 3000 nm si ha la near infrared part dello spettro, poi va asintoticamente a zero (microonde/RF). La linea rossa è presa al di fuori dall'atmosfera, dove non vi è nessun filtro, mentre quella blu è presa alla superficie terrestre, in alcuni punti è anche nulla, ed è sempre minore della rossa (energia viene assorbita da particelle). Curva blu per esempio viene usata per i pannelli fotovoltaici a terra.

Cicli solari

L'energia proveniente solare non è costante, ma varia col tempo. Sono visibili delle macchie dette sunspots, che indicano delle aree con temperatura più bassa, non sono stazionarie, variano continuamente, con regolari intervalli di 11 anni. La quantità di energia proveniente dal Sole è strettamente collegata con il numero di sunspots, quindi in quell'intervallo varia anche l'energia solare, da un massimo (più macchie) ad un minimo (meno macchie).

Indice F10.7: facile osservare a questa lunghezza d'onda, no disturbi. Rappresenta il flusso solare alla lunghezza d'onda di 10.7 cm. Il grafico ci dà un'indicazione dell'intensità della radiazioni provenienti dal Sole, periodi di minimo solare e periodi di massimo, nel massimo l'atmosfera raccoglie molta energia e viene riscaldata, al contrario nel minimo. L'influenza dei cicli solari sulle attività spaziali è molto influente.

Solar proton events

(Brillamenti solari) intense e casuali emissioni di protoni, che viaggiano a velocità elevatissime, quindi molto energetici, particelle cariche che impattano molto pericolose. Nel grafico vediamo il tipico andamento, si ha un picco che dura pochi giorni. La curva piccola è relativa a radiazioni elettromagnetiche di particelle. Protoni raggiungono la Terra con un certo ritardo rispetto a quando il picco dei raggi X raggiunge la Terra (90 minuti). Si può monitorare l'evento tramite raggi X.

Questi protoni molto energetici sono molto pericolosi per le attività nello spazio, "arrivato il picco di raggi X si hanno 90 minuti di tempo". Effetti: una particella carica che si muove nello spazio genere una corrente elettrica, che interagisce con ogni conduttore, un conduttore immerso in un fascio di particelle cariche viene indotta una corrente nel conduttore. La Terra è parzialmente protetta dal suo campo magnetico, al di fuori non si hanno schermi, e i satelliti oltre il campo magnetico sono soggetti a questi fenomeni.

Atmosfera terrestre

Troposfera

(0-10/16 km): zona di volo commerciale, qui avvengono i fenomeno metereologici; pioggia, neve, nuvole ecc. Composizione che varia con la quota, nella troposfera si ha soprattutto N₂ a 70/72% e O₂ a 21% più altri gas. Qui la temperatura decresce notevolmente.

Stratosfera

(Fino a 50 km): Invece qui la temperatura aumenta, per via dei raggi ultravioletti che vengono assorbiti dall'ozono O₃ che si dissocia in O e O₂.

Mesosfera

(Fino a 85 km): Si hanno gas ionizzati, la temperatura diminuisce di nuovo, alla fine della mesosfera si considera già vuoto (fine moti d'aria, eventi metereologici).

Termosfera

(Fino a 500/700 km): strato importante, da qui si hanno i satelliti in orbita, l'inizio dello spazio non ha una definizione precisa, ma si considera a 100 km, l'altezza dove diventa impossibile mantenersi in quota per via di forze aerodinamiche, e diventa possibile mantenersi in quota per via della forza centrifuga senza portanza. A quote minori per via dell'atmosfera con densità elevata, la resistenza rende impossibile mantenere l'orbita senza una propulsione continua. Composizione varia molto, radiazioni non vengono schermate (OA pericoloso).

Esosfera

Si espande nello spazio. Va considerato che l'atmosfera non è stazionaria, si espande e contrae, quindi le zone non sono fisse, dipende molto dalle radiazioni solari. Date queste variazioni non è fissa la quota minima di volo, ma possiamo dire che non si va sotto i 200 km. (Densità diminuisce sempre). A circa 100 km si ha che la temperatura aumenta notevolmente, e ricordiamo che la densità è molto bassa così come la pressione, ci sono pochissime molecole in un certo volume e il cammino libero medio è molto elevato, 1 km (distanza media tra una collisione e l'altra). La temperatura è una misura dell'energia cinetica delle molecole, possiamo definirla una temperatura cinetica, quindi l'energia cinetica aumenta molto, ma le interazioni sono rare, no trasferimento di calore, un oggetto non viene colpito da queste molecole. LEO: 200 - 1200 km.

Grafico a): O costituente principale da 200 km (il secondo N₂) fino a 400 km. Grafico b): O costituente principale da poco sopra i 200 km fino a quote molto elevate, si presenta anche più denso rispetto al minimo solare di 1000 volte (a parità di quota l'atmosfera risulta più densa durante i massimi).

Nello studio della missione è fondamentale sapere l'attività solare proprio perché influisce sulle caratteristiche dell'ambiente dove lavorerà il satellite. Nei massimi avremo una densità più elevata e quindi un effetto della resistenza atmosferica più importante che ridurrà la permanenza in orbita del satellite.

Vediamo a seconda dell'attività il tempo di rientro a terra, e come varia anche in funzione del coefficiente balistico. Asc*Cd ci dice l'influenza dell'atmosfera sul moto, più elevato più è importante. La massa è legata invece all'inerzia, un'inerzia elevata farà procedere nel suo moto il satellite. Velocità orbitale media in LEO 7.5 km/s. Quindi possiamo considerare il coeff balistico come il rapporto tra l'inerzia e la resistenza atmosferica. Più sarà elevato meno sarà soggetto alla resistenza atmosferica e rimarrà in orbita per più tempo.

Coefficiente balistico e attività solare sono i due principali fattori sul tempo di volo in orbita. Il Cd è molto influenzato dalla forma del velivolo per voli atmosferici, mentre per applicazioni spaziali no, ed è circa pari a 2, sempre per il discorso che il cammino libero medio ha una lunghezza più grande del satellite, interazioni molto rare e singolari per molecola (no fluido continuo), la resistenza è dovuta al singolo impatto con le molecole e non il moto collettivo del fluido. Il Cd si considera pari a due perché se consideriamo la collisione di una molecola con quantità di moto mv, dopo l'impatto, considerato elastico, si avrà -mv, quindi la variazione totale di quantità di moto sarà 2mv (variazione QM = F). Questo in LEO, oltre non si hanno problemi di resistenza atmosferica. Quota tipica di inizio missione è 500 km. Tempo minimo solitamente è 1 anno e quindi si potrebbe fare a 300 km con un Cb di 300 kg/m³. Missioni Shuttle programmate per pochi giorni, con Cb basso e quindi lanciate ad alte quote. LEO orbite importanti per osservazioni terrestri e telecomunicazioni. Per rimanere in orbita per più tempo viene anche utilizzata la propulsione elettrica. La ISS deve rimanere in orbita per molto tempo e deve essere facilmente raggiungibile, quindi sta ad una quota tra 330 e 460 km ed è soggetta a resistenza atmosferica, deve essere reboostata circa ogni tre mesi per evitare il decadimento dell'orbita artificialmente, cioè con sistemi propulsivi. Deve rimanere sopra 278 km per funzionare.

Ossigeno atomico

Elemento estremamente aggressivo, attacca chimicamente molti materiali, si hanno reazioni chimiche che portano alla erosione, inoltre ha un'elevata velocità relativa al satellite, impattando trasferisce la sua energia cinetica al satellite, soprattutto nella porzione "esposta alla direzione di velocità", non si ha un'erosione isotropica. L'alluminio è molto resistente all'ossigeno atomico, mentre il carbonio, kapton, mylar sono più sofferenti. Quando il materiale viene eroso, viene outgassato esternamente e potrebbe contaminare altre componenti, molto dannoso per le superfici ottiche che vengono degradate notevolmente. I materiali devono essere accuratamente scelti per resistere all'ossigeno atomico ed evitare danni. Il tasso di erosione dell'argento è molto elevato, però viene utilizzato, non per strutture, ma come test, per quantificare quanto OA è presente nell'atmosfera. Ovviamente l'effetto di erosione dell'OA aumenta col diminuire della quota.

Campo magnetico terrestre

La Terra è uno dei pochi pianeti con un significativo campo magnetico, che ha effetti sull'ambiente spaziale e ci permette di vivere dato che funziona come scudo per le radiazioni. Può essere approssimato come un CM generato da un dipolo, con i poli magnetici non coincidenti con i poli geografici, inclinazione del dipolo di 11.5 gradi. Le linee del campo magnetico sono più intense all'asse magnetico. Fino a 2000 km si considera buona l'approssimazione del dipolo, oltre il CM terrestre è influenzato da quello del Sole.

Il vento solare arriva verso la Terra (particelle cariche, soprattutto protoni) e arrivano al CM terrestre (bow shock, onda d'urto), alcune particelle cariche quindi vengono deviate con una traiettoria curva andando nella regione magnetosheath. Altre particelle vengono catturate dal CM, con traiettorie chiuse intorno la terra, nella trapping region, andando a formare fasce di radiazioni (radiation belts), altre ancora finiscono nella parte retrostante (lobes), dove vi è anche uno strato neutro dovuto alla ricombinazione (neutral sheet). Il punto in cui il vento solare impatta perpendicolarmente con il CM è detto magnetopausa, e si trova a circa 10 Re in media, dato che il vento solare varia (è il confine della magnetosfera). Tempeste geomagnetiche → intensa attività solare (solar flares, attività massima) fanno sì che la distanza sia minore di 6 Re, rischiando di avere orbite GEO esposte alle radiazioni senza alcuno scudo, è molto pericoloso e i satelliti devono essere progettati adeguatamente, mentre in LEO non si hanno questi problemi.

Ionizing radiation

Radiazioni che producono ionizzazione quando colpiscono altra materia, hanno lunghezze d'onda inferiori alla luce visibile, cioè UV, raggi X e raggi gamma (più dannosi). Microelettronica molto vulnerabile a queste radiazioni, tipo le celle solari che vengono degradate e vanno a produrre meno energia, quindi questi dispositivi devono essere protetti. Proteggere strumenti o equipaggio dalle radiazioni è fondamentale, ci deve essere un compromesso tra le protezioni e la massa, dato che questa incide significativamente sul costo di una missione spaziale (1000-5000 €/kg).

Fasce di Van Allen: ci sono due fasce, quella interna composta soprattutto da protoni, mentre quella esterna da elettroni e sono presenti maggiori radiazioni. Orbite LEO sono vicine alla Terra e fuori dalle fasce, le orbite GEO sono invece al limite della magnetosfera e all'esterno della fascia esterna (dipende comunque dall'attività solare). Si evitano missioni all'interno delle fasce, ad eccezione per alcune rare. In queste fasce le particelle cariche seguono le linee del campo magnetico da polo a polo. Nelle missioni interplanetarie, per arrivare alla Luna e per passare da LEO a GEO, si deve minimizzare il tempo di volo in queste zone. Si hanno problemi per propulsione elettrica che offre una spinta bassa e continua e quindi aumenta il tempo di volo. Con la propulsione elettrica si risparmia massa in propellente, ma si ha bisogno di più massa per proteggersi dalle radiazioni. Il sistema propulsivo non è influenzato perché i campi elettromagnetici generati sono molto più intensi.

In realtà il CM non è distribuito uniformemente, non ha una simmetria sferica, ma vi è un forte minimo in una particolare regione, SAA South Atlantic Anomaly, quindi in questa regione le radiazioni della fasce di Van Allen riescono a penetrare. Questa zona riguarda le orbite LEO, qui avvengono molti SEU (vedi dopo), per questo si evita di transitare in questa regione, oppure si devono prendere precauzioni in fase di progetto. Vi sono dei dispositivi progettati appositamente per le applicazioni spaziali: Rad Hard, più resistenti alle radiazioni, e che risultano più costose quindi.

Spacecraft charging

Si possono accumulare cariche sul satellite, con variazioni del potenziale elettrico, nello spazio si considera potenziale nullo all'infinito (potenziale del plasma a distanza infinita, no interazioni elettriche), si può considerare in realtà una distanza pari a qualche volte la dimensione massima del satellite. Si considera quindi questa differenza di potenziale, tra questo punto e il satellite. In LEO può accadere che il satellite si carica negativamente, dato che è immerso in un plasma, quindi cariche positive (protoni) e negative (elettroni), con velocità relative differenti.

Consideriamo il moto relativo satellite-elettroni: il satellite può essere considerato fermo rispetto a questi che viaggiano in tutte le direzioni e impattano in maniera omogenea sul satellite. Se si considera il moto satellite-protoni invece si può considerare che il satellite si muove in mezzo a dei protoni fermi, che quindi impattano solo sulla superficie esposta alla direzione della velocità, quindi in totale non si ha neutralità. Il satellite acquisisce un potenziale negativo, da qualche Volt fino a una ventina.

In LEO il plasma è molto denso, in GEO la situazione è differente, il plasma è più rarefatto, l'impatto con elettroni è più complicato e il satellite raccoglie più ioni, quindi si raggiungono potenziali elettrici di qualche migliaia di Volt. Questo evento è dannoso, ci sono metalli e conduttori che possono interagire. Si possono avere livelli di potenziali differenti, venendosi a formare archi di corrente da una parte e l'altra. Soluzioni:

• Per evitare questo fenomeno si vuole evitare differenze di potenziale e quindi ottenere una superficie uniformemente conduttiva, si può fare aggiungendo (o utilizzando direttamente) strati conduttivi sulla superficie che fanno distribuire uniformemente la carica sulla superficie.
• Si progetta in modo di avere un determinato punto, parte del satellite, mettendo le altre parti della struttura in contatto elettrico con questo, per uniformare tutta la superficie. (Electrostatic discharge immunity)
• Si usa un dispositivo che rilascia plasma nello spazio.