I satelliti artificiali

Con il termine satellite artificiale si possono intendere tutti gli oggetti orbitanti intorno ad un corpo celeste che sono stati posti volutamente in quell'orbita con mezzi tecnologici e con varie finalità a supporto di necessità umane. L'insieme di più satelliti artificiali adibiti ad uno stesso scopo forma una costellazione di satelliti artificiali.

I satelliti artificiali si possono suddividere in:

satelliti scientifici, destinati alla ricerca pura nel campo dell'astronomia o della geofisica, es. Telescopio Spaziale Hubble o Lageos; satelliti applicativi, destinati a scopi militari o ad usi commerciali civili.

I satelliti applicativi si possono ulteriormente suddividere in:

satelliti per telecomunicazioni, apparecchiature costruite dall'uomo per le telecomunicazioni, es. i Satelliti COSPAS/SARSAT; spesso sono posizionati in un'orbita geostazionaria intorno alla Terra e in numero tale da formare una rete satellitare;

satelliti meteorologici, posizionati sia in orbita geostazionaria (es. METEOSAT) sia in orbita polare (es. satelliti NOAA);

satelliti per telerilevamento, costruiti per il telerilevamento, la cartografia e l'osservazione sistematica della superficie terrestre (es. satelliti Landsat, QuickBird, Envisat, IKONOS o RapidEye);

satelliti per la navigazione, come quelli della rete GPS (Global positioning system);

satelliti militari sia a scopo offensivo che difensivo, es. la rete di satelliti di monitoraggio nucleare Vela o l'americano Geosat;

stazioni orbitanti, es. Stazione Spaziale Internazionale, Skylab, Mir;

sonde spaziali in modo improprio, perché in genere le sonde non orbitano attorno ad un altro corpo.

Inoltre sono caratterizzati in base all'orbita che percorrono. Le orbite principali sono: orbita polare, orbita equatoriale, orbita geostazionaria, orbita terrestre bassa, orbita terrestre media

Lo studio del moto dei corpi nello spazio, specie artificiali, è oggetto dell'astrodinamica. Il moto o traiettoria di un corpo nello spazio, compresi quindi i satelliti, è detta orbita. Per i satelliti artificiali, così come per quelli naturali, valgono delle regole atte a calcolare la loro velocità. Tuttavia, per la semplificazione dei calcoli, sono presi in considerazione i seguenti punti:

• l'orbita del satellite viene considerata come circolare;
• il satellite si muove attorno ad un corpo puntiforme con una certa massa;
• anche il satellite è un corpo puntiforme.

Un satellite che gira attorno alla terra è soggetto alla forza di attrazione di gravità che cerca di farlo precipitare sulla terra, e alla forza centrifuga che cerca di farlo allontanare.

Per le leggi del moto circolare uniforme, è noto che la forza centrifuga è data dalla formula:

e ancora, per la legge di gravitazione universale, la forza di attrazione gravitazionale tra due masse e si calcola con la formula:

Tuttavia, per creare una situazione di equilibrio, cioè fare in modo che il satellite ruoti attorno ad un corpo e non precipiti su di esso, la forza centrifuga dev'essere uguale alla forza di gravitazione:

Quindi ci è possibile eguagliare le due espressioni precedentemente citate:

dove:

• = massa del satellite
• = massa del corpo attorno al quale il satellite ruota
• = raggio dell'orbita del satellite
• = costante di gravitazione universale, che vale

è possibile semplificare l'espressione, omettendo :

risolvendo l'equazione, ossia moltiplicando i membri per , si trova il valore della velocità del satellite:

sapendo inoltre che il periodo, nel moto circolare uniforme, vale , si potrà calcolare quello di un satellite dividendo per la sua velocità.

Anche i satelliti geostazionari non sono perfettamente fermi rispetto al moto della Terra, ma a causa dell'influenza gravitazionale degli altri corpi celesti come Luna, Sole ed altri pianeti oscillano nello loro posizione e sono dunque necessarie manovre correttive comandate da Terra e perfettamente automatizzate che rendono a loro volta necessaria a bordo del satellite la presenza di più motori a reazione, uno per ciascuna direzione di moto alimentati da carburante. Al cessare del carburante a bordo cessa di fatto la vita operativa del satellite ed esso si disperde in una nuova orbita rispetto a quella originaria diventando parte della cosiddetta spazzatura spaziale oppure ricade sulla superficie terrestre.

Il nucleo principale del satellite che svolge le funzioni per cui esso è stato posto in orbita è detto carico utile mentre per la trasmissione/ricezione dei dati da e verso il suolo terrestre sono necessarie una o più antenne. Come accessori indispensabili di funzionamento oltre ai motori e al carburante per manovrarlo a piacimento, il satellite artificiale possiede dei pannelli fotovoltaici opportunamente dimensionati e regolati costantemente verso la radiazione solare necessari per fornire l'energia elettrica per le funzionalità di elaborazione e/o trasmissione a Terra dei dati da parte dei componenti elettronici deputati a tal fine.

L'elettronica di bordo dei satelliti artificiali è disturbata e a volte danneggiata:

dalle particelle cariche (protoni ed eletroni) delle fasce di Van Allen, cui si ovvia immettendo il satellite in un orbita diversa da quelle delle suddette fasce;dalle radiazioni cosmiche-ionizzanti sotto forma di raggi cosmici e dalle tempeste solari sotto forma di vento solare durante l'aumento di attività solare attraverso macchie solari ed eruzioni solari. Per questo problema molti satelliti in passato sono andati fuori uso in occasione di violente tempeste solari. A questi fattori di rischio si aggiunge anche il rischio connesso alla spazzatura spaziale che orbita intorno alla Terra la cui collisione con il satellite è potenzialmente in grado di danneggiare l'involucro esterno del satellite, gli organi di dotazione quali pannelli solari e motori fin anche al carico utile. A questo problema si ovvia modificando temporaneamente, se possibile, l'orbita del satellite in previsione di un eventuale collisione comandandolo da Terra.

Spesso l'uso di un satellite si rende necessario per compiere studi, rilevazioni, trasmissioni dati e servizi che altrimenti effettuati direttamente a Terra con sistemi terrestri richiederebbero costi sensibilmente maggiori. Il costo complessivo di un satellite è rappresentato dal costo di progettazione e realizzazione del cosiddetto carico utile, dal costo della strumentazione accessoria per far funzionare al meglio il satellite (motori, pannelli, involucro) e dal costo per il lancio che è una funzione diretta del peso da trasportare in orbita (si parla comunemente di costi per Kg di peso) e della quota di orbita. Una parte cospicua del costo di lancio o messa in orbita è rappresentata dal razzo vettore e dal suo carburante.