Che cos'è il trasferimento Hohmann? Calcolo del trasferimento di Hohmann per le orbite

Astronavi e satelliti sono spesso usati per orbitare attorno ai corpi celesti, che si tratti della luna, di un pianeta lontano o della Terra stessa. Ma non tutte le orbite sono uguali. Le orbite a bassa quota richiedono velocità e dispendio di energia differenti rispetto alle orbite ad alta quota. Una volta che un oggetto è in orbita ad un'altitudine specifica, le leggi dell'inerzia rendono molto facile mantenere quell'orbita. Ma cambiare l'altitudine dell'orbita è piuttosto complicato. Fortunatamente, i fisici moderni hanno un metodo per rendere possibile una cosa del genere: il trasferimento di Hohmann.

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• Che cos'è il trasferimento Hohmann?
• Come funziona il trasferimento Hohmann?
• Come si applica il trasferimento di Hohmann alla Stazione Spaziale Internazionale?
• Come viene applicato il trasferimento Hohmann ai viaggi interplanetari?
• Scopri di più sulla MasterClass di Chris Hadfield

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Che cos'è il trasferimento Hohmann?

Il trasferimento di Hohmann è un sistema di lancio di razzi che i fisici usano per spostare un veicolo spaziale in una diversa altitudine dell'orbita. Per capire come funziona il trasferimento di Hohmann, è importante comprendere il principio più ampio della meccanica orbitale.

La meccanica orbitale è un termine per la matematica con cui un'astronave cambia orbita. Per gli oggetti che sono in orbita, più sono vicini all'oggetto che stanno orbitando, più velocemente viaggeranno intorno ad esso. Questo vale per qualsiasi oggetto in orbita attorno a un altro:

• Terra in orbita attorno al sole
• La luna in orbita attorno alla Terra
• Un'astronave in orbita attorno a un pianeta

Nella meccanica orbitale, i concetti di accelerare e rallentare sono complessi e controintuitivi. In orbita, accendere i motori in avanti ti fa avanzare in un'orbita più alta, il che in realtà significa che rallenti, perché gli oggetti in un'orbita più alta si muovono più lentamente. Per andare più veloce devi decelerare e cadere in un'orbita più bassa.

Più lontano sei dalla Terra, meno amplificato è questo effetto. Quando ti allontani abbastanza dalla Terra, gli effetti relativi della meccanica orbitale sono così bassi che puoi navigare come se stessi guidando la tua astronave nello spazio profondo.

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Come funziona il trasferimento Hohmann?

Il trasferimento di Hohmann è il metodo più comunemente usato per spostare un'astronave da un'orbita più bassa a una più alta.

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Negli anni '20, l'ingegnere tedesco Walter Hohmann, ispirato dalla fantascienza, calcolò il modo più efficiente per spostarsi su un'orbita più alta.

• Il trasferimento di Hohmann funziona accendendo i motori a razzo una volta in un certo punto nell'orbita inferiore. Questo fuoco aggiunge energia all'orbita e spinge l'astronave più lontano dalla Terra, cambiando la sua orbita da un'orbita circolare a un'orbita di forma ovale.
• Nel punto in quella nuova orbita ovale in cui l'astronave è più lontana dalla Terra, l'equipaggio accende di nuovo i motori del razzo e l'orbita ovale si trasforma in un cerchio, questo più lontano dalla Terra rispetto al precedente.

Il trasferimento Hohmann è lo standard del settore per il trasferimento orbitale più efficiente dal punto di vista energetico e si applica indipendentemente dalla distanza nello spazio che stai viaggiando. Se un'astronave in orbita accende il motore abbastanza a lungo, alla fine andrà abbastanza veloce da volare via nello spazio profondo, sfuggendo alla gravità del pianeta. Quella velocità, chiamata velocità di fuga, è semplicemente la radice quadrata di 2, o il 41% più veloce della velocità orbitale.

Come si applica il trasferimento di Hohmann alla Stazione Spaziale Internazionale?

Il trasferimento Hohmann è utilizzato dall'equipaggio della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) . A causa di piccoli frammenti d'aria intorno alla ISS, la stazione viene tirata indietro verso la Terra in modo così lieve mentre orbita. Per evitare una spirale continua verso la Terra, l'equipaggio a bordo della ISS o del Controllo Missione deve accendere i suoi motori ogni tanto per spostarlo in un'orbita più alta.

Come viene applicato il trasferimento Hohmann ai viaggi interplanetari?

Diciamo che stai cercando di inviare un veicolo spaziale dalla Terra a Marte e vuoi farlo nel modo più efficiente possibile. Per fare ciò, gli scienziati approfittano del fatto che la navicella spaziale è già in orbita prima che venga lanciato. Come è vero? Il motivo è che l'astronave si trova sulla Terra e la Terra orbita attorno al sole.

Anche Marte orbita attorno al sole, ma a una distanza molto maggiore (o altitudine sopra il sole). Gli scienziati usano le orbite terrestre e marziana per stabilire ciò che è noto come perielio e afelio.

• Il perielio (l'approccio più vicino al sole) sarà alla distanza dell'orbita terrestre
• L'afelio (la massima distanza dal sole) sarà alla distanza dell'orbita di Marte

Gli scienziati progettano un'orbita per il razzo che includerà tutti e due il perielio e l'afelio. In altre parole, il razzo, in un'unica orbita del sole, coinciderà con l'orbita della Terra all'inizio del suo viaggio e coinciderà con l'orbita di Marte alla fine del suo viaggio. Questa è nota come orbita di trasferimento di Hohmann. La porzione specifica dell'orbita solare del razzo che lo porta dalla Terra a Marte è chiamata la sua traiettoria.

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