"Laboratorio di Astrofisica Spaziale" - Università di Trieste: FISICA SPAZIALE - Moodle@Units
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Università di Trieste: FISICA SPAZIALE
“Laboratorio di Astrofisica Spaziale”
Analisi dell'ambiente spaziale: studio del Sole, dell'atmosfera
terrestre e della loro interazione; astrodinamica con studio
particolareggiato delle orbite e delle caratteristiche di una
missione spaziale (propulsione, trasmissione dati, …)
Anna Gregorio
anna.gregorio@ts.infn.it
tel. 040 558 3383 / 040 3199 151 /
348 3804692
Trieste, 30 settembre 2019 1
Sommario
Ø Corso:
o Programma, orario, materiale, esami,
disponibilita’
Ø Motivazioni & Storia
Ø Astrofisica
Ø Astronomia
Ø Fisica della Terra
Ø Programmi Commerciali
Ø Programmi Educativi: AtmoCube
Ø Conclusioni
Trieste, 30 settembre 2019 2
Programma del Corso 1/2
1. INTRODUZIONE ALLA FISICA SPAZIALE
o Scopi dell'esplorazione spaziale
o Storia dell'esplorazione dello spazio
2. IL SOLE E L'AMBIENTE CIRCOSTANTE LA TERRA
o Il Sole
o L'atmosfera
o La ionosfera
o La magnetosfera
o Le fasce di radiazione di Van Allen
3. INTRODUZIONE ALL'ASTRODINAMICA
o Orbite kepleriane
o Generalità sulle orbite
o Cambiamenti d'orbita
o Scelta dell'orbita per un satellite astronomico
Trieste, 30 settembre 2019 3
Programma del Corso 2/2
4. GEOMETRIA DI UNA MISSIONE SPAZIALE
o Geometria sulla sfera celeste
5. PROPULSIONE E POTENZA NELLO SPAZIO
o Caratteristiche dei motori per razzi
o Sistemi di propulsione
o Sistemi di potenza
6. SISTEMI D'ASSETTO
o Guida e controllo d'assetto
o Sensori d'assetto
7. ULTERIORI SISTEMI DI UN SATELLITE
o Sistema termico di un satellite
o Struttura di un satellite
o Telecomunicazioni di un satellite
8. LABORATORIO CON ARDUINI
Trieste, 30 settembre 2019 4
Orario & materiale
Ø Mattino:
o Lunedì e Martedì 11-13 Aula B
Ø Pomeriggio:
o Lunedì e Martedì 14-18 Aula C, B
Ø Materiale
o Dispense (Italiano)
o Fotocopie (?) e file trasparenze (Italiano)
o Tutto su “Moodle” https://moodle2.units.it/
o Libro di riferimento: “Space Mission Analysis and
Design” (SMAD), J.R. Wertz and W.J. Larson, 3rd
edition, Space Technology Library (in biblioteca)
Trieste, 30 settembre 2019 5
Esame & disponibilità
Ø Esame:
o Seminario di 20 minuti con un approfondimento di un
argomento a piacere (consiglio: venite a parlarne prima)
o Due o tre domande sul programma
o Avvisare almeno una settimana prima
Ø Disponibilità:
o E.mail o telefono, ricevimento all’Università (mer. 9-10)
o Richiesta: lista e-mail e un cellulare di (almeno) una
persona di riferimento
Ø Altro:
o PC a disposizione? E.mail & mac-address
Trieste, 30 settembre 2019 6
Motivazioni 1/2
Ø Osservazioni della Terra
Ø Comunicazioni
Ø Navigazione
Trieste, 30 settembre 2019 7
Motivazioni 2/2 Ø Scienza Ø Esplorazione Trieste, 30 settembre 2019 8
Atmosfera
Microonde / Onde Corte:
Raggi X / γ: gas intergalattico, fondo radiazione cosmica,
dischi accrescimento elettroni in campi magnetici
UV: stelle
calde
Visibile: stelle fredde IR: polveri cosmiche, comete
Trieste, 30 settembre 2019 9
Storia 1
YouTube “Escape Velocity - A Quick History of Space Exploration”
Trieste, 30 settembre 2019 10Storia 2
1961 Gagarin
1957 Sputnik
1942 razzo V-2
1963 Tereshkova
1965 Early Bird
1967 Apollo 1
1981 Columbia
1973 Skylab
1969 Apollo 11
1986 Challenger/MIR
1990 Hubble
1998 ISS
2003 Columbia 200x FUTURO
Trieste, 30 settembre 2019 11Una Missione Satellitare
Missione
Satellitare
Trieste, 30 settembre 2019 12I Sistemi di un Satellite 1/3 Trieste, 30 settembre 2019 13
I Sistemi di un Satellite 2/2 Cassini – Huygens Trieste, 30 settembre 2019 14
Difficoltà Tecniche 1/2
Ø Condizioni ostili ambiente spaziale:
o escursioni termiche
o vuoto
o dosi di radiazione cosmica
o particelle e frammenti
Ø Problematiche al lancio (vibrazioni)
Ø Strumentazione di dimensioni, massa e consumi
ridotti
Trieste, 30 settembre 2019 15Difficoltà Tecniche 2/2
Radiazione nello Spazio (esempio)
Componenti Primarie Componenti Secondarie
•Raggi Cosmici – particelle •Sciami Elettromagnetici – raggi
provenienti dallo spazio cosmici nell’atmosfera
profondo
•Bremsstrahlung – elettroni
•Particelle Solari – particelle attraverso un materiale/atmosfera
provenienti dal Sole
•Scintillazione (fluorescenza)
•Cinture di Radiazione – particelle attraverso l’azoto
cinture di particelle energetiche atmosferico o componenti ottiche
che circondano la Terra
•Radiazione Cherenkov – flash
prodotti da particelle ad alta
velocità attraverso materiali
Trieste, 30 settembre 2019 16Strategia
Navette Spaziali Satelliti
(Shuttle)
Ø tempo in orbita breve Ø tempo in orbita lungo
Ø recupero della Ø impossibilità di recupero
strumentazione della strumentazione
Stazione Spaziale Internazionale
(ISS)
Ø tempo in orbita lungo
Ø recupero della strumentazione
Trieste, 30 settembre 2019 17Astrofisica: XMM - GLAST – AMS
FERMI/GLAST XMM
AMS
Trieste, 30 settembre 2019 18EUSO 1/2
Flusso estremamente basso:
≈1 evento/sr/km2/secolo
⇓
300 eventi
Trieste, 30 settembre 2019 19EUSO 2/2 Trieste, 30 settembre 2019 20
PAMELA 1/4
Ø Multi-spectral remote sensing
of earth’s surface
à near-real-time high-quality images
Ø Built by the Space factory
TsSKB Progress in Samara
(Russia)
Ø Operational orbit parameters:
o inclination ~70o
o altitude ~ 360-600 km (elliptical)
Ø Mass: 6.7 tons
Ø Active life >3 years
Ø Launch: 15/06/2006
Ø Data transmitted via Very
high-speed Radio Link (VRL)
Trieste, 30 settembre 2019 21PAMELA 2/4
GF: 21.5 cm2 sr
Mass: 470 kg
Size: 130x70x70 cm3
Power Budget: 360W
Interacting
event
Non-interacting
event
Trieste, 30 settembre 2019 22PAMELA 3/4
Neutron counts
Trieste, 30 settembre 2019 23PAMELA 4/4
energy range particles/3 years
Antiproton flux 80 MeV - 190 GeV ~3x104
Positron flux 50 MeV – 270 GeV ~3x105
6
Electron flux up to 400 GeV ~6x10
Unexplored Region
8
Proton flux up to 700 GeV ~3x10
Primary production
from
Electron/positron flux up to 2 TeV (from calorimeter)
Black Holes χχ annihilation
7/4/5
Light Nuclei (up to Z=6) up to 200 GeV/n
Dark matter He/Be/C: ~10
(m(χ) = 964 GeV)
Secondary production
AntiNuclei
(upper search
and lower limits) Charge (sensitivity of the order of 10-7 in He/He)
dependent
Simon et al. Extragalactic
modulation effects
Primordial p
Dark matter
Propagation
Secondary production
(CAPRICE94-based)
Bergström et al.
PAMELA energy range
Trieste, 30 settembre 2019 24AGILE 1/2
Astrorivelatore Gamma Immagini
LEggero
Ø Missione dedicata all’astrofisica gamma
Ø Optimal imaging capabilities in both the gamma-ray
energy range (30 MeV-30 GeV) and hard X-ray
range (15-60 keV)
Ø Scientific Team: researchers and engineers of INAF-
IASF, INFN, and several Italian Universities. The
project is headed by M. Tavani (Principal
Investigator) and G. Barbiellini (Co-Principal
Investigator)
Ø Participation of several leading companies from the
Italian space industry, including CARLO GAVAZZI
SPACE, ALCATEL-ALENIA Space LABEN,
OERLIKON-CONTRAVES Space, TELESPAZIO,
and MIPOT
Trieste, 30 settembre 2019 25AGILE 2/2
Major topics are: EGRET
Ø Active Galactic Nuclei
Ø Gamma Ray Bursts
Ø Pulsars
Ø Gamma-Ray Unidentified Sources
Ø Supernova Remnants
Ø Compact Objects and Binary Systems
Ø Gamma-ray Diffuse Emission
Ø TeV Sources
Ø Fundamental Physics
AGILE was successfully launched on April 23, 2007 by the Indian PSLV-C8 rocket from the
Sriharikota base (Chennai-Madras).
The AGILE satellite was injected in the nominal equatorial orbit in agreement with the Scientific
Requirements of the Mission. The satellite was tracked during its first pass over the ASI Malindi
ground station in Kenya on Apr. 23rd. During its first orbit, its radio signal was also
independently detected from the Sriharikota and Bangalore ground stations. The satellite is now
in the initial Commissioning Phase. All test results are nominal.
Trieste, 30 settembre 2019 26AGILE 2/2
Major topics are: EGRET
Ø Active Galactic Nuclei
Ø Gamma Ray Bursts
Ø Pulsars
Ø Gamma-Ray Unidentified Sources
Ø Supernova Remnants
Ø Compact Objects and Binary Systems
Ø Gamma-ray Diffuse Emission
Ø TeV Sources
Ø Fundamental Physics
AGILE was successfully launched on April 23, 2007 by the Indian PSLV-C8 rocket from the
Sriharikota base (Chennai-Madras).
The AGILE satellite was injected in the nominal equatorial orbit in agreement with the Scientific
Requirements of the Mission. The satellite was tracked during its first pass over the ASI Malindi
ground station in Kenya on Apr. 23rd. During its first orbit, its radio signal was also
independently detected from the Sriharikota and Bangalore ground stations. The satellite is now
in the initial Commissioning Phase. All test results are nominal.
Trieste, 30 settembre 2019 27PLANCK 1/3
Fondo di Radiazione
Trieste, 30 settembre 2019 28PLANCK 2/3
Planck is the third mission on CMB (first european)
Ø Better sensitivity (∆T/T~2x10-6) and angular resolution
(up to 5’)
Ø Wider frequency range
Main scientific Objectives:
Ø Determination of geometry of the Universe
Ø Determination of the correct theory about the
Universe origin and evolution
Ø Complete map of CMB anisotrophies
Orbit: Lissajous around Lagrangian
point L2 of Earth-Sun-Moon system
6
Distance from the Earth: 1.5 x 10 km
Spin axis: opposite direction respect to
the Sun
Trieste, 30 settembre 2019 29PLANCK 2/3
Planck is the third mission on CMB (first european)
Ø Better sensitivity (∆T/T~2x10-6) and angular resolution
(up to 5’)
Ø Wider frequency range
Main scientific Objectives:
Ø Determination of geometry of the Universe
Ø Determination of the correct theory about the
Universe origin and evolution
Ø Complete map of CMB anisotrophies
Orbit: Lissajous around Lagrangian
point L2 of Earth-Sun-Moon system
6
Distance from the Earth: 1.5 x 10 km
Spin axis: opposite direction respect to
the Sun
Trieste, 30 settembre 2019 30PLANCK 3/3
Centre frequency (GHz) 30 44 70
Bandwidth (GHz) 6 8.8 14
Angular resolution
33 24 14
(arcminutes, FWHM)
Detector temperature (K) 20 K
-6
ΔT/T Intensity [10 µK/K] 2.0 2.7 4.7
ΔT/T polarization [µK/K] 2.8 3.9 6.7
Trieste, 30 settembre 2019 31Astronomia: Hubble Trieste, 30 settembre 2019 32
Astronomia: UVSTAR 1/4
s
p FUV
a
z
i EUV
o Lunghezza
d’onda
Trieste, 30 settembre 2019 33Astronomia: UVSTAR 2/4 Trieste, 30 settembre 2019 34
Astronomia: UVSTAR 3/4
Ø sistema di movimentazione autonomo munito di 2
telescopi ausiliari per la direzione di puntamento
Ø osserva atmosfere stellari, regioni HII, anelli di IO,
comete
Ø analisi spettrale del flusso nelle varie componenti UV
(FUV/EUV)
Adara
Trieste, 30 settembre 2019 35Astronomia: UVSTAR 4/4
Risultati tecnologici: sistema di puntamento
200
1.6
180
Trk error
160
tracking error (arcsec)
motor position (deg)
1.2 140
120
AZ pos
100
0.8
80
EL pos 60
0.4
40
20
0 0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Trieste, 30 settembre 2019 time (s) 36Fisica della Terra Trieste, 30 settembre 2019 37
Osservazioni della Terra
DORIS JASON
(topex/poseidon)
SPOT
Trieste, 30 settembre 2019 38Metereologia Trieste, 30 settembre 2019 39
Metereologia Trieste, 30 settembre 2019 40
Geologia: Vesuvio Trieste, 30 settembre 2019 41
Sentinel 1 2015 - Nepal earthquake
Ø Combining two Sentinel-1A
radar scans from 17 and 29
April 2015, this interferogram
shows changes on the
ground that occurred during
the 25 April earthquake that
struck Nepal. An overall area
of 120x100 km has moved –
half of that uplifted and the
other half, north of
Kathmandu subsided. Vertical
accuracy is a few cm
Trieste, 30 settembre 2019 42Sentinel 1 2015 - Nepal earthquake
Interferogram over
Kathmandu
generated from
two Sentinel-1A
scans on 17 and
29 April 2015 –
before and after
the 25 April
earthquake.
Each ‘fringe’ of colour represents about 3 cm of deformation. The large
amount of fringes indicates a large deformation pattern with ground
Trieste, 30 settembre 2019 motions of 1 m or more 43Ambiente: Inquinamento
CANALE DI
OTRANTO
Trieste, 30 settembre 2019 44Synthetic Aperture Radar - SAR
Radio Signals
Ø Long range propagation
characteristics
Ø Reduced effect of weather conditions
Ø Unique response of terrain
Trieste, 30 settembre 2019 45Synthetic Aperture Radar - SAR
Radio Signals
Ø Long range propagation
characteristics
Ø Reduced effect of weather conditions
Ø Unique response of terrain
2-dim image
Ø Range: time between signal transmission and echo
(resolution ∝ signal width)
Ø Azimuth: doppler shift processing (resolution ∝ beam
dimension ∝ 1/antenna length)
o Resolution ~ λR/d
o R~50 km, λ~0.03 m, resolution~1 m ⇒ d~1.5 km!
⇒ Synthetic Aperture !!!
Trieste, 30 settembre 2019 46Synthetic Aperture Radar - SAR
Radio Signals
Ø Long range propagation
characteristics
Ø Reduced effect of weather conditions
Ø Unique response of terrain
2-dim image
Ø Range: time between signal transmission and echo
(resolution ∝ signal width)
Ø Azimuth: doppler shift processing (resolution ∝ beam
dimension ∝ 1/antenna length)
o Resolution ~ λR/d
o R~50 km, λ~0.03 m, resolution~1 m ⇒ d~1.5 km!
⇒ Synthetic Aperture !!!
Trieste, 30 settembre 2019 47Strumenti di Envisat
ASAR: Advanced Synthetic
Aperture Radar
Immagini radar ad alta risoluzione
dell’ambiente terrestre in qualsiasi
condizione ambientale e di
illuminazione
ENVISAT
Barbara Lo Faro
Trieste, 30 settembre 2019 48Imaging Radar: light reflectance, back-scattering
Surface rugosity is the second
primary driver in radar signature
CANALE DI
OTRANTO
Trieste, 30 settembre 2019 49Geologia: struttura del suolo A : snow B : snow covered with ice C : calcareous D : clear water E : desert F : paved road G : deciduous forest autumn H : deciduous forest summer I : conifer forest summer J: conifer forest autumn Trieste, 30 settembre 2019 50
Biologia: vegetazione
Vegetation spectral signatures vary with
- leaf state
- canopy species
- leaf moisture content
- phenological stage
erba
betulla
pino
abete
Trieste, 30 settembre 2019 51Ambiente: Controllo Incendi
incendi
zone calde
Trieste, 30 settembre 2019 52Osservazioni Della Terra Trieste, 30 settembre 2019 53
TOPEX-POSEIDON: Studio degli Oceani Trieste, 30 settembre 2019 54
Trieste, 30 settembre 2019 55
Dinamica degli Oceani Trieste, 30 settembre 2019 56
El Niño / La Niña
condizioni
normali
alisei
(trade winds)
ITCZ – InterTropical Convergence Zone
SPCZ – South Pacific Convergence Zone
Trieste, 30 settembre 2019 57El Niño / La Niña
condizioni
normali
alisei
(trade winds)
Fine primavera/inizio estate:
El Niño
monsoni (Indian Ocean
monsoons) NEà SW
ENSO:
El Niño Southern
Oscillations
Trieste, 30 settembre 2019 58El Niño / La Niña Trieste, 30 settembre 2019 59
“Futuro ...”
Esempio del 2002
Trieste, 30 settembre 2019 60Fisica della Terra
ENVISAT
Trieste, 30 settembre 2019 61Scienza: Biologia
PHOTO II:
misure dedicate
per la BIOLOGIA
Trieste, 30 settembre 2019 62Programmi Commerciali: IRIDIUM
Ka-Band Ka-Band
Ka-Band
Ka-Band L-Band
L-Band
L-Band Ka-Band
L-Band Aero L-Band
Ka-Band
Solar
Phone
Booth I R I D IUM
IRIDIUM R
Mobile
Pager Subscriber
Unit
System (PSTN)
Control
Trieste, 30 settembre 2019 63Programmi Educativi
SSTL
CUBESAT
Trieste, 30 settembre 2019 64ATMOCUBE/CUBESAT
GOAL: Costruire una MAPPA precisa di
Campo Magnetico
Terrestre
Flusso di Radiazione che
incide su AtmoCube
e ...
COINVOLGERE
STUDENTI !
Trieste, 30 settembre 2019 65SPACE WEATHER 1/3
“Space Weather: condizioni sul Sole e sul vento solare, sulla
magnetosfera, ionosfera, termosfera, che possono influenzare le
prestazioni e l’affidabilità dei sistemi tecnologici nello spazio e a
terra e possono mettere in pericolo la vita e la salute umana.”
ESA website: www.esa.int
Trieste, 30 settembre 2019 66SPACE WEATHER 2/3
Sole: nel visibile
COSTANTE MA ….
Trieste, 30 settembre 2019 67SPACE WEATHER 3/3 • effetti su S/C & aerei (total dose, lattice displacement, single events upsets (SEU), sensor bkg, spacecraft charging, drag) • reti distribuzione energia (guasti su linee di alimentazione, effetti di corrosione nelle condutture -Quebec marzo 1989) • sistemi comunicazione (cambiamenti struttura della ionosfera: aumento assorbimento, riflessioni inattese, interferenza radio, interruzioni comunicazioni) • rischi per la salute umana (astronauti e equipaggi aerei soggetti a dosi elevate di radiazione) • cambiamenti climatici (emissioni solari UV modificano strato ozono ed influenzano circolazione dell'aria su grande scala, raffiche vento solare modificano proprietà elettriche parte superiore dell'atmosfera e influenzano gli strati bassi dell'atmosfera, nel minimo solare vento solare -più debole- permette agli GCR di penetrare più facilmente nell'atmosfera terrestre promuovendo formazione nubi di bassa quota) Trieste, 30 settembre 2019 68
Una Missione Satellitare
Missione
Satellitare
Trieste, 30 settembre 2019 69I Sistemi di un Satellite 1/3 Trieste, 30 settembre 2019 70
I Sistemi di un Satellite 2/3 Cassini – Huygens Trieste, 30 settembre 2019 71
I Sistemi di un Satellite 3/3
ORBITA dose radiazione campo magnetico durata giorno e trasmissione,
altezza, campo magnetico densità atmosfera notte distanza stazione
inclinazione . . . .
STRUMENTO
stabilità massa
SCIENTIFICO consumo mole dati
puntamento centro di massa
dosimetro, GPS, . .
. .
magnetometro
massa
posizione celle mole dati
ASSETTO centro di massa
. .
.
massa
ALIMENTAZIONE trasmissione
centro di massa
celle solari, batterie .
.
TELECOM massa telecomandi
consumo antenna bordo, centro di massa trasferimento dati
. terra . .
perturbazioni perturbazioni perturbazioni STRUTTURA
orbitali orbitali orbitali
. .
, , COMPUTER
dati scientifici
mole dati consumo BORDO
housekeeping
. .
Trieste, 30 settembre 2019 72PROCESSO DI ANALISI
Ø Misura scientifica: Studio dell’Atmosfera Terrestre “SPACE-WEATHER”
o Misura del Flusso di Radiazione sul satellite
o Misura del Campo Magnetico in cui è immerso il satellite
Ø Problematiche:
o Costi limitati: sistema molto semplice, molto piccolo e molto leggero
o Cubo di lato 10 cm
o Peso 1 kg
o Potenza 2÷3 W
o Evitare parti mobili se possibile
o Utilizzo lanciatore (missile) disponibile: orbita non ottimizzata
o Strumentazione non dedicata: commerciale
o Accuratezza della misura limitata
o Quantità di dati trasferibili limitata (banda radio-amatori)
o Evitare interferenze con le misure (campo magnetico):
o Uso limitato di sistemi elettromagnetici (bobine)
o Separazione della strumentazione scientifica dall’elettronica: modulazione del
satellite
o Controllo dell’assetto del satellite
o Gravity Gradient Boom + accessori
Trieste, 30 settembre 2019 73Ruolo della Fisica Spaziale
Studia le relazioni fra la Terra e l'umanità considerando anche la Terra come un sistema di cui
vanno analizzati i cambiamenti globali.
Studia la Terra come un pianeta anche per mezzo dello studio degli altri pianeti e con le
tecniche della planetologia comparativa.
Studia il Sole, non solo come unica fonte di tutta la nostra energia, ma anche come una stella
utilizzando l'astrofisica stellare osservativa e teorica per caratterizzare la nascita,
l'evoluzione e la fine delle stelle e dei sistemi stellari.
Studia il posto dell'uomo nel Cosmo attraverso la comprensione della vastità dello spazio e del
tempo ed attraverso lo studio dei problemi fondamentali sull'origine, l'evoluzione ed il destino
dell'Universo.
Studia l'origine ed il valore della vita attraverso l'analisi delle molecole organiche di natura
extraterrestre, incluse le molecole del mezzo interstellare, l'analisi chimico-fisica delle
atmosfere di mondi come Giove e Titano, o di pianeti come Marte che una volta possono
essersi trovati in condizioni adatte allo sviluppo d’organismi viventi simili a quelli terrestri, la
ricerca di pianeti esterni al sistema solare, la ricerca di vita extraterrestre.
Studia le leggi che governano le proprietà dei materiali, d’aggregati e di macchine quando sono
sottoposti alle condizioni estreme di gravità, temperatura, vuoto, flussi di particelle cariche
che si trovano nello spazio.
Trieste, 30 settembre 2019 74Conclusioni
Ø TECNOLOGIA
o proprietà dei materiali
o comunicazioni
Ø RISULTATI SCIENTIFICI
o Sole e di altre stelle (astrofisica & astronomia)
o Universo (cosmologia)
o Pianeta Terra (planetologia)
o Origine della vita, dell’atmosfera, dell’ambiente…
Ø CONNESSIONE CON ALTRI CAMPI
o biologia, chimica, ingegneria ...
Trieste, 30 settembre 2019 75Puoi anche leggere
