La fionda gravitazionale una tecnica di volo spaziale che utilizza la gravità di un pianeta per alterare il percorso e la velocità di un veicolo spaziale. È comunemente usata per raggiungere i pianeti esterni, il cui raggiungimento sarebbe proibitivo se non addirittura impossibile con le tecnologie attuali, essenzialmente per un motivo di costi e tempi troppo lunghi. È anche chiamato gravity-assist o swing-by e si utilizza con profitto solo con pianeti dotati di grande massa.
L’accelerazione di una sonda sfruttando la fionda gravitazionale
La decelerazione di una sonda sfruttando la fionda gravitazionale
Il modo più semplice per far andare una sonda da un pianeta a un altro è quello di utilizzare un trasferimento alla Hohmann, ovvero far percorrere alla sonda un’orbita ellittica con la Terra al perielio e l’altro pianeta all’afelio. Se lanciato nel momento adeguato, il veicolo spaziale arriverà all’afelio proprio quando il pianeta starà passando lì vicino. Questo tipo di trasferimento è comunemente usato per muoversi attorno alla Terra, dalla Terra alla Luna o dalla Terra a Marte.
Un trasferimento alla Hohmann usato per raggiungere pianeti esterni richiederebbe tempi lunghi e un considerevole delta V (un indice della quantità di propellente di un razzo necessaria a eseguire una manovra orbitale). È in questi casi che l’effetto fionda è usato più frequentemente.
Per ottenere l’effetto fionda, il veicolo spaziale deve effettuare un ravvicinato fly-by (sorvolo) del pianeta. Consideriamo una sonda diretta verso un pianeta, per esempio Giove. Quando la sonda si avvicina a Giove, la gravità del pianeta l’attrae aumentando la sua velocità. Dopo aver passato il pianeta, la gravità continua ad attrarre il veicolo, rallentandolo. L’effetto sulla velocità, se il pianeta fosse fermo, sarebbe nullo (come deve essere dalla legge di conservazione dell’energia), mentre cambia la direzione del veicolo, ovviamente.
Tenendo conto però che i pianeti non stanno fermi, ma si muovono nelle loro orbite attorno al Sole, succede che la velocità non cambia se misurata in riferimento a essi, mentre è differente se la si misura rispetto al Sole. Il guadagno di energia cinetica è spiegato dal fatto che è il pianeta a perdere parte della propria, rallentando il suo moto di rivoluzione e stringendo la sua orbita, anche se in maniera del tutto impercettibile. Questo perché il trasferimento di energia dal pianeta al veicolo è inversamente proporzionale alle masse: il pianeta perde così una quantità irrisoria di energia, lasciando praticamente invariata la propria orbita.
In base alla traiettoria, l’astronave può guadagnare fino a due volte la velocità orbitale del pianeta.
Usare più di una fionda gravitazionale diventa lungo rispetto ad un trasferimento alla Hohmann, ma diminuisce in modo considerevole il delta V, permettendo di mandare in orbita veicoli spaziali più grandi.
Questo tipo di missioni richiede un’attenta sincronizzazione e per questo la finestra di lancio è una parte cruciale per la corretta riuscita della missione.
Schema di fionda gravitazionale: la velocità della navicella aumenta
fino a due volte la velocità del pianeta
Un osservatore “stazionario” vede un pianeta in movimento verso sinistra a velocità U e una navicella spaziale che si muove verso destra a velocità v. Seguendo la giusta traiettoria, la navicella passa vicino al pianeta, muovendosi a velocità v + U rispetto alla superficie del pianeta, poiché il pianeta si muove in direzione opposta a velocità U. Quando la navicella lascia l’orbita, è ancora in movimento a U + v rispetto alla superficie del pianeta, ma in senso opposto (verso sinistra). Poiché il pianeta si muove verso sinistra a velocità U, la velocità totale della navicella rispetto all’osservatore sarà la velocità del pianeta in movimento più la velocità della navicella rispetto al pianeta. Quindi la velocità sarà U + (U + v), vale a dire 2U + v.
Limiti di utilizzo della fionda gravitazionale
Il principale limite pratico dell’uso di una fionda gravitazionale è la quantità di massa disponibile per ricevere la spinta.
Un altro limite è causato dall’atmosfera del pianeta. Più si è vicini al pianeta, maggiore è la spinta che si ottiene. Se una sonda è troppo vicina all’atmosfera, l’energia persa per via dell’attrito con questa, può essere superiore a quella guadagnata dall’effetto fionda. Questo effetto può essere utile se l’obiettivo è quello di perdere energia.
I gravity-assist che usano il Sole in sé sono impossibili in quanto questo non è in grado di donare il momento angolare. Tuttavia accendere i motori quando si è vicino al Sole ha lo stesso l’effetto di aumentare il guadagno effettivo dei razzi. C’è comunque il limite dovuto alla resistenza al calore della sonda e quindi non si può arrivare mai troppo vicino al Sole.