Visto che ne parliamo occasionalmente in molti post, riassumo qui le caratteristiche dell’orbita e le motivazioni che hanno spinto a scegliere proprio questo tipo di orbita. Molto di quello che dico è una ripetizione di quanto abbiamo già detto in altri post.
Intanto, la solita spiegazione. NRHO è una particolare orbita della famiglie di orbite lagrangiane del sistema Terra-Luna. I punti di Lagrange sono gli unici punti dove in un sistema a due corpi un terzo oggetto riesce ad orbitare con lo stesso periodo degli altri due e sono generalmente 5. I primi due punti lagrangiani, L1 e L2, sono molto vicini al corpo più piccolo, nel nostro caso la Luna. Se il terzo oggetto, un satellite artificiale in generale, non orbita proprio nel punto lagrangiano ma in una zona limitrofa, la sua orbita la chiamiamo di tipo lagrangiano.
Per il Gateway è stata scelta un’orbita lagrangiana molto più vicina alla Luna che al punto lagrangiano stesso, per ragioni puramente ingegneristiche e scientifiche. Questa orbita si chiama NRHO, Near Rectilinear Halo Orbit, tralasciamo i dettagli tecnici del perché si chiama così. Una tale orbita non è complanare all’orbita della Luna attorno alla Terra, ma è molto inclinata, quasi polare. L’interesse dei prossimi decenni è orientato prevalentemente verso il polo sud lunare, per via dei suoi vasti bacini di ghiaccio subsuperficiale. Un’orbita inclinata ha più visibilità del polo sud rispetto a una equatoriale, e questo è il motivo della scelta.
Dall’immagine si vede che avvicinandosi alla Luna le orbite lagrangiane si inclinano.
Ora, come si vede dalla figura, c’erano 4 possibilità di scegliere l’orbita NRHO, a seconda di quale punto lagrangiano e emisfero si sceglieva. Ma ragionandoci veramente poco, senza tecnicismi di meccanica orbitale approfonditi, la scelta sulla NRHO L2 Southern era obbligata.
La Luna infatti, orbita mostrando sempre la stessa faccia alla Terra. Da L1 si ha più o meno la stessa visibilità della Luna che c’è dalla Terra. Da L2 si vede di più la faccia nascosta della Luna. A parità di altri parametri L2 è chiaramente vantaggioso per un avamposto stabile di supporto a missioni sulla superficie, in quanto copre una zona non coperta da Terra.
Inoltre, la famiglia di orbite meridionali, Southern, hanno periselenio nei pressi del polo nord e aposelenio sopra il polo sud. Un satellite passa più tempo all’apoapside del periapside, per questo motivo con le famiglie Souther, il polo sud è più coperto come visibilità, per cui la scelta obbligata.
Ci sono anche motivi più tecnici che hanno spinto alla NRHO L2, tipo la stabilità maggiore rispetto a una L1, ma senza entrare in dettaglio, i motivi elencati sopra sono già sufficienti. Anche sulla scelta della particolare orbita, con periodo 6,5 giorni, ci sono importanti motivazioni a supporto.
Per capire questo, bisogna un po’ rendersi conto delle misure in gioco. L’orbita del Gateway avrà perilunio 3.000 km e apolunio 70.000 km circa. Il diametro della Luna è di 3.500 km, il che vuol dire che all’apolunio sarà molto distante dalla Luna. Inoltre l’inclinazione orbitale della Luna attorno alla Terra rispetto all’inclinazione orbitale della Terra rispetto al Sole è di soli 5°, il che vuol dire che l’ombra della Terra si sposta dal piano orbitale a nord o a sud di massimo 30.000 km. Praticamente all’apolunio il gateway non sarà sicuramente eclissato dalla Terra e riceverà luce solare.
Fatta questa premessa, il periodo orbitale è stato scelto in modo che sia in risonanza sinodica, Lunar Synodic Resonance (LSR). Vuol dire che dopo un certo numero di orbite si ritroverà nella stessa posizione relativa tra Sole Terra e Luna. Scegliendo ad esempio che durante la fase di luna piena il gateway sarà all’apolunio, siamo sempre sicuri che i pannelli del Gateway saranno sempre illuminati e la produzione di energia elettrica è garantita. Su questo bisogna ragionarci un po’, la Terra può eclissare la Luna solo durante la fase di luna piena, altrimenti non potrebbe proprio fargli ombra, la Luna deve trovarsi dalla parte opposta del Sole rispetto alla Terra.
Ora, non è esattamente così, perché è stata scelta una risonanza 9:2, cioè il Gateway fa 9 orbite attorno alla Luna quando la Luna ne fa 2 (sinodiche) attorno alla Terra. Orignariamente era stato studiata anche una risonanza 4:1, in modo che ogni mese lunare il Gateway tornasse esattamente allo stesso posto, ma questa precisione non è necessaria. L’ombra della Terra cade tra due apsidi, quando il Gateway è ancora abbastanza alto. Non è importante che sia proprio all’apoapside.
Obrita del Gateway a evidenziare la risonanza. Una volta ogni due orbite, il Gateway si trova sempre più o meno allo stesso posto.
Senza risonanza, questo non sarebbe stato possibile. Con un’orbita con un periodo a caso, prima o poi sarebbe capitato che il Gateway passasse nel cono d’ombra terrestre. La Luna viene eclissata due volte l’anno senza questi accorgimenti, ad esempio. Ora il periodo sinodico della Luna è di 29,5 giorni, quindi due periodi sono 59 giorni. Il Gateway fa 9 orbite in 59 giorni, quindi un’orbita ogni 6,6 giorni, circa un’orbita a settimana. Guardando in un riferimento orbitale inerziale, quindi quando la Luna fa una rotazione attorno al proprio asse in 27, 3 giorni viene quasi una risonanza 4:1. Qui ringrazio @poweruser per avermi tracciato il grafico di CAPSTONE con i dati del JPL, un satellite che percorre la stessa orbita NRHO, visto dal polo nord sembra proprio che ogni mese la traittoria divida la Luna in 4 parti
Qualche altra considerazione, da questa orbita, ci si può andare muovere facilmente. Servono meno di 12 ore per andare da e verso la superficie lunare. Servono i soliti tre giorni per andare o arrivare da Terra, ma in realtà se non c’è fretta si può scegliere una traiettoria di tre mesi che fa risparmiare molto carburante. Si può andare facilmente in orbita eliocentrica. La stabilità è molto buona e richiede pochissime correzioni. La stima è di effettuare una correzione a orbita, durante il periapside per ottimizzare, di poco meno di 2 mm/s per compensare tutte le perturbazioni gravitazionali. Come ordine di grandezza è 0,1 m/s l’anno, veramente un’inezia e di fatto sarà abbastanza irrealistico per il caso reale. Vanno considerati anche fattori perturbativi esterni che porteranno a circa 5 m/s di correzioni, che rimane comunque pochissimo se confrontato con i satelliti in orbita geostazionaria, ad esempio.
La stabilità dell’orbita è calcolata su un periodo di circa 15 anni. Poi magari sarà necessaria qualche correzione più decisiva. Con le numeriche descritte sopra, ad esempio, sono previste eclissi di Luna brevi e non distruttive abbastanza regolari 2-3 volte l’anno, e sono previste eclissi di Terra con effetti abbastanza gravi a causa del periodo in ombra prolungato, dopo circa 14-15 anni di operazioni.
Documenti di riferimento, da cui sono prese le immagini sopra:
), un detrito che al momento migliore viene espulso dal Gateway a 1 m/s, la velocità di una camminata umana regolare per intenderci, lascerà l’orbita NRHO in poco più di un mese.
