Le finestre di lancio dei vari veicoli spaziali sono calcolate in base a differenti vincoli. I più importanti sono dati dai periodi sinodici ed orbitali: ad esempio per effettuare una manovra di Hohmann ed arrivare a Marte con una traiettoria balistica ellittica bisogna aspettare che il pianeta di arrivo sia nella posizione corretta al momento del lancio…
Nel caso di satelliti in orbite LEO, ma ancor di più nel caso della Stazione Spaziale e delle missioni umane, Shuttle in primis, un vincolo rilevante sulle finestre di lancio è dato dal cosiddetto Beta Angle, e si presenta come Beta Angle Cutout.
Il Beta angle è l’angolo compreso tra il piano orbitale di un satellite (o della ISS) e la direzione satellite-Sole. Questo angolo varia, durante l’anno, per il moto della Terra attorno al Sole, per l’obliquità dell’Eclittica (infatti l’angolo tra il piano dell’eclittica ed il piano equatoriale terrestre è di 23.4 gradi) e per il rigonfiamento terrestre equatoriale, che matematicamente incide su un parametro chiamato J2 nell’espansione in serie dell’effetto gravitazionale (il che porta l’orbita della ISS a precedere di circa 5 gradi al giorno).
L’effetto del Beta Angle si manifesta sia sull’approvvigionamento di potenza elettrica, sia sul sistema di controllo termico. Infatti ad elevati Beta la stazione spaziale ha dei periodi di ombra ridotti: ciò porta la ISS a modificare molto il suo assetto per evitare problemi termici.
Ciò si massimizza ad angoli maggiori di 70 gradi in modulo (il massimo è dato dalla somma dell’inclinazione orbitale della ISS e dell’angolo Eclittica-PEC - declinazione massima del Sole - di 23.4°, che porta ad un Beta di 75 circa). Normalmente infatti l’assetto della stazione è LVLH (Local Vertical-Local Horizontal), come se fosse un aereo con il muso diretto come il vettore velocità orbitale. All’aumento del beta angle, tuttavia, i pannelli non riescono a stare ortogonali alla direzione dei raggi solari e quindi a produrre adeguata potenza (speciamente nelle fasi di vita della stazione con set di pannelli non completo): questo portava la necessità di attuare un assetto XPOP (asse X perpendicolare al piano orbitale), assetto in cui i pannelli puntano direttamente verso il Sole. Tuttavia, questo assetto pressochè inerziale porta a dei problemi termici alla zona russa. Un altro assetto utilizzato è il YVV (asse Y diretto come la direzione di velocità) in cui i pannelli sono ancora diretti verso il Sole, e la Terra irradia in modo migliore la stazione, il che riduce i problemi termici. L’unico problema è che questo assetto deve essere garantito dai razzetti del segmento russo e come tale è limitato nel tempo per il consumo di propellente.
La presenza di un eventuale orbiter, con i suoi vincoli di TPS (radiatori, ad esempio) porta un’altro vincolo nella scelta dell’assetto della stazione: in sostanza non si riesce ad imporre un assetto che possa portare a delle condizioni termiche (per ISS e STS) e di generazione di potenza (per la ISS) corrette: da cui il “cutout” che viene dato nei periodi in cui il Beta è alto.
Questi periodi accadono quando il membro variabile della sommatoria che abbiamo citato prima, ossia la declinazione Solare, è massimo, ossia 23.4°: siamo nella zona dei Solstizi estivo e invernale. A cavallo di questi periodi, e comunque sopra i 60° in modulo, uno Shuttle non può essere agganciato alla ISS.
Immagini NASA.
