Dai razzi V2 a NGST Sintesi storica delle missioni spaziali

1. Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 3 Dai razzi V2 a NGSTSintesi storica delle missioni spaziali Dr. Emanuele Pace Febbraio 2009

2. Primi passi…. • Il primo a discutere i vantaggi delle missioni spaziali per fare astrofisica fu Oberth nel 1923, ma fu ignorato. • Nel 1946 Lyman Spitzer discusse in un rapporto interno intitolato “Advantages of an Extra-Terrestrial Observatory”, scritto per la Rand Corporation, l’importanza di fare astronomia nell’UV sfruttando sonde spaziali Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

3. Programma di Spitzer • Studio della composizione delle atmosfere planetarie • Misure della struttura delle atmosfere stellari, inclusa la possibilità di studiare atmosfere in espansione nelle righe intense di emissione del C, N ed O • Misura delle temperature di colore di stelle molto calde • Misura della magnitudine bolometrica delle stelle • Analisi delle curve di luce UV di binarie ad eclisse per ottenere informazioni sulla massa stellare e le proprietà dell’atmosfera • Usare la comprensione delle atmosfere stellari, migliorata grazie agli studi nell’UV, per determinare con maggior precisione le distanze stellari • Misura della composizione del gas interstellare • Misura delle proprietà in assorbimento dei grani interstellari • Misura degli spettri UV delle supernovae per comprendere meglio i processi di esplosione Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

4. Sfide tecnologiche • Guadagnare un accesso affidabile allo spazio • Sviluppare sistemi ottici o spettroscopici piccoli e leggeri • Sviluppare sistemi di controllo e di puntamento per razzi e satelliti • Sviluppare rivelatori efficienti • Progettare e costruire sistemi robotici complessi che possano operare nello spazio • Sviluppare sistemi di alimentazione leggeri ed efficienti Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

5. Sonde per superare l’atmosfera • Palloni stratosferici • Sonde sub-orbitali • Razzi sonda • Aeroplani • Sonde orbitali e planetarie • Stazioni spaziali Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

6. Palloni stratosferici • I voli di pallone per l’astronomia probabilmente cominciarono nel 1874. Janssen, dell’Osservatorio di Meudon provò a dimostrare che alcune righe degli spettri del Sole erano dovute all’atmosfera terrestre. • Le altezze raggiunte furono di 10-20 km • La tecnologia dei palloni migliora dagli anni ’50 ed i voli portano carichi fino a 2 ton a 30-40 km. Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

7. Palloni stratosferici Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

8. Palloni stratosferici Stratoscope I e II e Coronascope I e II di Spitzer della Princeton University sono i precursori dei moderni telescopi su pallone. I telescopi ebbero fino a 86 cm di diametro d’apertura con una precisione di puntamento pari a 1 arcsec. Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

9. Palloni stratosferici I voli di pallone permettono missioni Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL Frequenti Flessibili A basso costo Lunghe ad alta quota L’esperimento svedese Pointed Infrared Observation Gondola (PIROG) è un telescopio general purpose di 60 cm con precisione di puntamento di 1 arcsec attivo dal 1990. Il carico comprende strumenti per l’infrarosso ed il sub-millimetrico. E. Pace - Tecnologie Spaziali

10. Strumenti su aereoplano • Osservazioni astronomiche • Osservazione della Terra • L’aereoplano permette alcune ore di volo con equipaggio a bordo • Le osservazioni astronomiche furono effettuate da inglesi ed americani, oggi solo da un consorzio Italo-Tedesco • Le osservazioni della Terra sono molto diffuse ed utilizzate • Alcuni voli su aereoplano sono organizzati per calibrare strumenti a bordo di satelliti Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

11. Strumenti su aereoplano Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

12. Kuiper Airborne Observatory • Aereo Cargo C-41 modificato dalla NASA • Voli dal 1971 al 1995 • Regione spettrale: infrarosso Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

13. Kuiper Airborne Observatory Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

14. Telescopio di KAO Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

15. Immagini da KAO Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

16. SOFIA Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL NASA and the DLR, German Aerospace Center, are working together to create SOFIA — a Boeing 747SP aircraft modified by L-3 Communications Integrated Systems to accommodate a 2.5 meter reflecting telescope. SOFIA will be the largest airborne observatory in the world, and will make observations that are impossible for even the largest and highest of ground-based telescopes. SOFIA is an airborne observatory that will study the universe in the infrared spectrum. E. Pace - Tecnologie Spaziali

17. Telescopio di SOFIA Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

18. Telescopio di SOFIA Lo specchio primario ha un diametro di 2.7 m e pesa 880 kg. Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

19. Specifiche degli strumenti Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

20. Razzi sonda • Nel 1945 al termine della II guerra mondiale le Forze Alleate catturarono un certo numero di razzi V2 e parte di queste furono utilizzate per programmi scientifici. • La base di lancio fu posta a White Sands, nel deserto del New Mexico, dove è situata tuttora. • I razzi potevano portare 1000 kg a 160 km • Il primo volo fu nel giugno 1946 per astronomia UV • I successivi furono per osservare il Sole nei raggi X • Queste furono le prime prove che i corpi celesti emettevano anche in regioni spettrali di energie maggiori al visibile • Fra il 1946 e il 1951 furono lanciate 69 missioni delle quali 40 con successo. Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

21. Razzi sonda • Nel 1949 le V2 furono sostituite dai razzi Viking capaci di portare gli esperimenti a circa 250 km • In parallelo furono sviluppati gli Aerobee che portavano carichi di 270 kg a 300 km di quota. • Attualmente i razzi americani sono vari e raggiungono quote diverse in funzione del carico. • I canadesi hanno sviluppato la serie di razzi Black Brant, che in tempi recenti sono arrivati (Black Brant XII) a 1600 km di quota. • Gli inglesi hanno sviluppato la serie Skylark capace di portare 100 kg a 1000 km di quota. Non più usati per astronomia, sono impiegati in esperimenti di ricerca sui materiali Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

22. Razzi sonda Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL Razzi in dotazione alla NASA per esperimenti scientifici E. Pace - Tecnologie Spaziali

23. Razzi sonda Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

24. Razzi sonda I vantaggi dei razzi sonda sono • Economicità • Affidabilità • Flessibilità • Tempi brevi di realizzo • Semplicità Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

25. Razzi sonda • La traiettoria dei razzi sonda è una parabola e viene mantenuta grazie ad un sistema di guida a giroscopi che controlla la deflessione di alette stabilizzatrici (attitude control system) • La durata media di un’osservazione generalmente è di circa 5 minuti e viene avviata al di sopra di una quota prefissata, ad esempio 250 km per esperimenti UV e soft-X. • Il puntamento degli oggetti celesti avviane attraverso dei rivelatori di puntamento • L’esperimento ha l’apertura in coda al razzo, mentre la punta ospita il paracadute. • I dati vengono raccolti in memorie a bordo e/o inviati a Terra mediante la TELEMETRIA Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

26. Parametri di volo Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

27. Parametri di volo Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

28. Parametri di volo Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

29. Sottosistemi Il carico di un razzo è formato dai seguenti sottosistemi: • scientific instrumentation • mechanical systems • electrical systems • event timing/programming • pyrotechnic devices • telemetry systems • attitude control system • recovery system Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

30. Sottosistemi: telemetria Tre sono i sistemi di telemetria principali: Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

31. Sottosistemi: alimentazione Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL • Fornita da batterie: • Nickel-cadmio • Zinco-Argento • Erogano una tensione continua di 28 V ± 2V • L’alimentazione deve anche provvedere a • Riscaldatori • Motorizzazioni • Funzioni pirotecniche E. Pace - Tecnologie Spaziali

32. Analisi di missione su razzo Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

33. Operazioni per missione su razzo Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

34. Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

35. Esempio: HERSCHEL • Missione solare HElium Resonant Scattering from HELiosphere • Immagini del sole nell’EUV • Coronografo nel VIS/EUV • Volo previsto per il 2007 da White Sands Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL Obiettivo principale della missione: Osservare il Sole alla riga di emissione dell’He ionizzato (30.4 nm), in particolare nella corona fino a 2 raggi solari E. Pace - Tecnologie Spaziali

36. Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

37. Esempio: HERSCHEL Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

38. Esempio: HERSCHEL Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali

39. UV VISIBLE Esempio HERSCHEL Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL E. Pace - Tecnologie Spaziali