Docking

Ragazzi mi spiegate come funziona il docking?
Da wiki leggo che esistono due approcci:

* V-bar ovvero lungo la direzione della velocitá del "Target";
* R-bar ovvero lungo la congiungente ideale tra il "Target" ed il centro di massa del pianeta attorno il quale esso sta orbitando.

Allora la R-bar è quella che fa lo Shuttle prima della Pitch maneuver giusto? E fisicamente basta che aumenta la sua velocità e aumenta l’orbita.
Per la V-bar invece come fa a spostarsi lungo l’orbita?

In particolare per lo Shuttle, quando viene messo in orbita a che distanza si trova dalla ISS?

Scusate le domande ingenue ma non ho mai capito niente di queste cose.

Ingenue? Non lo sono, tanto e vero che so molto poco di come funzioni realmente il docking… Mi dovrò informare… per ora ricordo solo le equazioni dei sistemi dinamici per il moto prossimo… tanta teoria ma poca fisicità…

Non sono affatto ingenue come domande effettivamente.

Per la manovra di Rendez-vous, ovvero per spostarsi lungo la propria orbita, si fa in maniera semplicissima: si cambia l’orbita :slight_smile:

Ovvero: se il chaser si trova indietro rispetto al target, allora spinge in direzione opposta al moto, in modo da rallentare, abbassare l’orbita e quindi andare più veloce (maggiore velocità angolare) in modo da raggiungere il target.
Analogamente si può fare la manovra opposta: si accelera, in modo da alzare l’orbita e quindi rallentare e farsi raggiungere dal target.

Questo discorso però vale solo quando le manovre e le distanze sono di dimensioni comparabili a quelle dell’orbita (che non è 350 km ma 6378+350).

Quando invece le distanze e gli spostamenti sono più piccoli (quindi nel raggio di 20 km dalla stazione), credo che la meccanica orbitale diventi trascurabile, e il movimento relativo avvenga in maniera più intuitiva, ovvero per avvicinarmi spingo in direzione del target e non in direzione opposta.

Specificamente allo shuttle, quando entra in orbita innanzitutto ha un’inclinazione molto minore della stazione, e quindi deve fare una manovra di cambio piano. Sull’altitudine dell’orbita non sono certo, ma credo sia un po’ più in basso della ISS.

Credo che anche per gli avvicinamenti finali si utilizzi la stessa tecnica “a balzi”, in allegato il path dell’ATV.

Specificamente allo shuttle, quando entra in orbita innanzitutto ha un'inclinazione molto minore della stazione,

Sicuro? Credo che l’orbita sia già al lancio con la stessa inclinazione della ISS, 51.6°, altrimenti il consumo sarebbe esagerato. Prova banale è la possibilità di vedere la navetta e l’ET in Europa pochi minuti dopo il lancio sulla stessa traiettoria percorsa qualche minuto prima dalla ISS.

Albyz non capisco l’immagine che hai allegato, come va letta??

Quindi le manovre per il docking sono sempre un sali e scendi da un’orbita ad un’altra.

Ma quindi un docking sulla stessa orbita non è possibile? Cioè una manovra V-bar diretta fino al docking. Da quanto ho capito anche lo Shuttle dopo essersi messo sotto la ISS, non fa altro che diminuire la sua velocità per aumentare l’orbita e avvicinarsi alla stazione giusto?

Si… se due oggetti hanno la stessa velocità stanno sulla stessa orbita… ma rimangono anche alla medesima distanza. Se io aumento la mia velocità per allontanarmi o avvicinarmi (dipende se l’approach è da “davanti” o da “dietro”) automaticamente mi sposterò su un’orbita diversa.

Correggo: "non fa altro che diminuire la sua velocità per DIMINUIRE l’orbita e avvicinarsi alla stazione.

La velocità orbitale è determinata univocamente dal raggio dell’orbita e dalla massa del pianeta. Quindi se due oggetti stanno esattamente sulla stessa orbita dello stesso pianeta, inevitabilmente avranno la stessa velocità, e quindi non potranno avvicinarsi.
Per questo si fa un abbassamento dell’orbita fino a raggiungere il target e una volta in corrispondenza del target la si rialza…

Assolutamente no, non sono sicuro, mi sa che hai ragione tu :slight_smile:

Cito da qui:
“The shuttle orbits the earth in what is called a low earth orbit; that is between 250 kilometres (135 miles) and 1000 kilometres (600 miles) above the earth’s surface. The exact altitude depends on the mission. If the mission is to conduct microgravity research or to explore the earth’s surface, the orbit could be as low as the minimum 250 kilometres. If it is to rendez-vous with the International Space Station, the shuttle will orbit at about 400 kilometres (250 miles). If it is to service the Hubble Space Telescope, the orbit will increase to 600 kilometres (400 miles). If the mission is to retrieve, repair or reposition a low earth orbit satellite, the altitude could be anything in between.”

Il che significa, credo, che già durante il lancio si metta nell’orbita giusta…

Eh si, altrimenti penso non avrebbe nemmeno senso attendere le finestre di lancio:se così fosse basterebbe lanciare e poi correggere l’inclinazione dell’orbita.

È un sistema di riferimento in moto: è centrato sul “target” (la stazione) e ruota solidale con esso attorno alla terra. L’asse R è appunto il vettore R-bar e punta verso la terra, verso destra c’è l’asse V, cioè il vettore velocità. Quello illustrato è un avvicinamento tipo ATV: arriva da dietro e da sotto (e questa è la parte comune a tutti i rendezvous) alla fine si allinea esattamente dietro la stazione e le ultime decine di metri le fa mantenendosi sull’asse orizzontale, è un V-bar approach, ma a differenza dello shuttle lo fa stando sempre dietro alla stazione.

Quindi le manovre per il docking sono sempre un sali e scendi da un'orbita ad un'altra.

Meglio dire da una quota ad un’altra, perché basta percorrere sempre la stessa orbita ellittica per avere un’astronave-ascensore che per metà del tempo scende e per l’altra metà sale.

Qualche giro sull’orbiter space simulator ti sarà più utile di mille parole. Ad ogni modo, qualcosa si può anche raccontare a voce.

Ma quindi un docking sulla stessa orbita non è possibile? Cioè una manovra V-bar diretta fino al docking.

Nì, cioè in teoria no, però in pratica si fa, ma solo su distanze molto piccole, a basse velocità (relative al target, la velocità orbitale è sempre intorno ai 7000 m/s) e con qualche correzioncina ogni tanto per rimanere alla quota giusta. Lo puoi fare su distanza piccole, dove puoi trascurare il “dettaglio” di stare in orbita attorno ad un pianeta e quindi facendo finta che le traiettorie siano rettilinee. Ma in realtà ti stai muovendo sempre secondo le leggi di Keplero.

Fai così, vai qui (edit:corretto il link) e scaricati il pdf intitolato “rendezvous”. Aprilo e vai a pag. 22 nel grafico vedi la traiettoria finale dello shuttle. Ecco, quel tratto ondulato orizzontale che va dal punto 8 al 10 è il v-bar approach vero e proprio, come vedi lo shuttle galleggia alla stessa quota della stazione.

Da quanto ho capito anche lo Shuttle dopo essersi messo sotto la ISS, non fa altro che diminuire la sua velocità per aumentare l'orbita e avvicinarsi alla stazione giusto?

Sì e no… :grin: scusami non ti voglio prendere in giro ma la meccanica orbitale è controintuitiva. Per l’esattezza lo shuttle accelera leggermente, immettendosi in una nuova orbita che lo porta prima ad alzarsi di quota e poi a frenare.

Nella meccanica orbitale la velocità fa variare la quota, ma anche la variazione di quota fa cambiare la velocità… è un cane che si morde la coda, ed è difficile distinguere qual è la causa e qual è l’effetto!

Infine c’è da dire che lo shuttle lo ha fatto anche prima, quello che hai appena raccontato è l’ultimo “passo” di una serie di 4.

Vedi sempre nello stesso pdf, i grafici dalla pagina 19 alla 22.

Fai così, vai qui e scaricati il pdf intitolato "rendezvous". Aprilo e vai a pag. 22 nel grafico vedi la traiettoria finale dello shuttle. Ecco, quel tratto ondulato orizzontale che va dal punto 8 al 10 è il v-bar approach vero e proprio, come vedi lo shuttle galleggia alla stessa quota della stazione.

Nella pagina che hai messo non l’ho trovato quel file

Colpa mia, ho messo il link sbagliato:

http://www.nasa.gov/centers/johnson/news/flightdatafiles/index.html

È l’ottavo nell’elenco.

Si ovviamente hai ragione avevo scritto male.

Ecco, quel tratto ondulato orizzontale che va dal punto 8 al 10 è il v-bar approach vero e proprio, come vedi lo shuttle galleggia alla stessa quota della stazione.

Si l’ho visto. Ma quel tratto ovviamente viene eseguito “a mano”? Cioè dal pilota, non è un’operazione programmata dal computer di bordo?

Altra domanda, se un veicolo sta su una certa orbita e quindi ad una certa velocità tangenziale, se viene aumentata la velocità in direzione normale all’orbita cosa succede? Temporaneamente cambia l’orbita per la spinta ma poi la situazione torna all’equilibrio sulla stessa orbita perche non si è variata la velocità tangenziale?

Aspetta, perchè qui andiamo sul complicato, e la risposta non è più così semplificabile.

Dato un punto dello spazio, e una velocità (in forma vettoriale, quindi se vogliamo potremmo dire una certa V tangenziale e una V radiale), l’orbita è determinata univocamente.
Se sei su un’orbita circolare, avrai una V radiale nulla e una certa V tangenziale non nulla.
A questo punto, se dai un’impulso nella direzione della velocità tangenziale, aumenterai la tua V tangenziale e quindi cambierai la tua orbita circolare in un’orbita ellittica più grande che ha come perigeo il raggio dell’orbita circolare iniziale. Quindi, non è che semplicemente spingendo nella direzione della velocità ti sposti da un’orbita circolare a un’altra circolare. Per circolarizzare l’orbita ellittica ottenuta con la prima spinta dovrai dare una seconda spinta.

Analogamente, se invece di spingere in direzione tangenziale spingi in direzione radiale, ti infilerai in un’orbita che ha in quel punto la stessa velocità tangenziale dell’orbita circolare iniziale ma anche una certa velocità radiale, e quindi sarà anche quella un’orbita ellittica che avrà, se non sbaglio, un perigeo più basso dell’orbita circolare e un apogeo più alto.

Quindi si riesce a variare perigeo e apogeo contemporaneamente.

Mi sfugge un concetto però. Praticamente spostarsi da un’orbita ad un’altra variando solamente la velocità tangenziale con che velocità avviene?
Cioè variando la V tangenziale si varia la forza centrifuga del corpo e quindi non c’è più equilibrio tra forza peso e centrifuga e avviene il cambio di orbita, e ok. Ma la variazione di quota avviene praticamente perche nella direzione radiale si verifica un forza risultante data dalla differenza tra la forza centrifuga e la forza peso giusto? E quindi la velocità del fenomeno dipende dalla differenza tra queste due forze giusto?

Il punto è che non si agisce direttamente sul moto nella direzione radiale e questo mi porta a pensare che ci sia un ritardo nel fenomeno rispetto al cambio di orbita agendo sulla velocità radiale.

Potete scrivere degli ordini di grandezza di queste variazioni? Ad esempio nel deorbiting quanto viene variata la velocità tangenziale?

No, un computer sarebbe meno affidabile perché dovrebbe basarsi solo sulla telemetria e non sugli aiuti visivi. Il pilota invece oltre alla telemetria osserva la scena coi propri occhi e quindi sa esattamente cosa succede e se è il caso di interrompere tutto.

Altra domanda, se un veicolo sta su una certa orbita e quindi ad una certa velocità tangenziale, se viene aumentata la velocità in direzione normale all'orbita cosa succede? Temporaneamente cambia l'orbita per la spinta ma poi la situazione torna all'equilibrio sulla stessa orbita perche non si è variata la velocità tangenziale?

No, le orbite non cambiano temporaneamente. Il fatto che la spinta sia perpendicolare alla velocità significa solo che non è cambiata l’energia meccanica del veicolo. Ma anche una volta fissata l’energia meccanica, esistono infinite orbite tutte ugualmente stabili. Quindi non esiste un “ritorno all’equilibrio”, perlomeno in questi termini. Quello che avviene è che ho spostato il veicolo su un’orbita con una differente eccentricità, tutto qui!

Si, ma…

Mi sfugge un concetto però. Praticamente spostarsi da un'orbita ad un'altra variando solamente la velocità tangenziale con che velocità avviene?

…ecco, appunto…

Ma la variazione di quota avviene praticamente perche nella direzione radiale si verifica un forza risultante data dalla differenza tra la forza centrifuga e la forza peso giusto? E quindi la velocità del fenomeno dipende dalla differenza tra queste due forze giusto?

Giusto.

Il punto è che non si agisce direttamente sul moto nella direzione radiale e questo mi porta a pensare che ci sia un ritardo nel fenomeno rispetto al cambio di orbita agendo sulla velocità radiale.

…ci stai arrivando da solo. Il concetto che ti sfugge è che più tempo impiego nell’orbita di trasferimento meno carburante consumo. È vero, se usassi i razzi per “sterzare” la navicella con spinte perpendicolari alla direzione del moto avrei dei trasferimenti molto veloci. Ma alla fine scopro che ho speso un sacco di carburante che mi potevo risparmiare se solo fossi stato più paziente.

Ecco perché tutte le spinte sono sempre parallele alla direzione del moto: anche se è vero che i trasferimenti sono lenti, sono le uniche accelerazioni che trasformano tutta la spinta in lavoro meccanico.

La cosa migliore, a questo punto, è che ti studi come funziona il trasferimento alla Hohmann:

http://it.wikipedia.org/wiki/Trasferimento_alla_Hohmann

Come puoi vedere, si percorre sempre mezza orbita per il trasferimento da un orbita all’altra. Alle quote della ISS, significa che i trasferimenti impiegano tre quarti d’ora.

Potete scrivere degli ordini di grandezza di queste variazioni? Ad esempio nel deorbiting quanto viene variata la velocità tangenziale?

300 piedi al secondo scarsi, quindi siamo sul centinaio di metri al secondo.

se ricordate il romanzo Space vi è un bel passaggio, appena lo trovo posto anche le pagine, dove empiricamente è spiegato il meccanismo.
Siamo ai tempi delle Gemini e due astronauti fanno la prova, di cambio d’orbita usando due Jeep, girando in tondo, con due circonferenze concentriche, di diametro l’uno maggiore dell’altro. Quello interno si trova poi sulla circonferenza più esterna solo con un aumento della velocità del mezzo.

Come spiegavo banalmente nel mio Vademecum, volare nello spazio non è intuitivo. O avete un computer o ciccia! Di recente però i russi hanno collaudato dei sistemi di docking automatici.
Comunque sulle brevi distanze l’istintività umana, ben addestrata, è più che sufficiente.