Partita Artemis I, la prima missione del ritorno alla Luna

L’attesissimo primo passo sul cammino che porterà nuovamente degli esseri umani a mettere piede sulla superficie della Luna è finalmente giunto: oggi 16 novembre 2022 ha preso il via la missione senza equipaggio Artemis I, con un decollo perfetto avvenuto alle alle 07:47 italiane dalla rampa 39-B del Kennedy Space Center. Ecco il video del decollo da NASA Tv.

Artemis I vede il primo volo assoluto del vettore pesante di NASA Space Launch System, e ha il compito principale di collaudare in orbita lunare la capsula Orion. La nuova capsula NASA aveva già avuto il suo “battesimo dello spazio” nel dicembre 2014, quando una versione sperimentale della stessa era stata utilizzata per la missione EFT-1 (Exploration Flight Test 1). La nuova sfida è quella di dimostrare la sua affidabilità nell’ambiente spaziale cislunare per oltre 26 giorni. Il rientro di Orion è infatti previsto per il prossimo 11 dicembre, anche se la data esatta potrebbe variare in funzione di eventi imprevisti e contingenti.

Un componente di Artemis I particolarmente importante per il mondo aerospaziale europeo è il modulo di servizio di Orion, che non a caso si chiama “modulo di servizio europeo”, in acronimo ESM dall’inglese European Service Module. Assemblato da Airbus Defence and Space negli stabilimenti tedeschi di Brema, alla realizzazione delle sue componenti hanno lavorato decine di appaltatori europei tra cui Thales Alenia Space di Torino, responsabile della sua struttura portante.

La missione Artemis I

Artemis I è il primo test di volo a integrare le componenti del sistema di NASA per l’esplorazione dello spazio profondo: la navicella Orion, il razzo Space Launch System (SLS), e non meno importanti i sistemi di supporto di terra presso il Kennedy Space Center della NASA, in Florida. Prima di una serie di missioni sempre più complesse, Artemis I fornirà informazioni di base che saranno fondamentali per la futura esplorazione dello spazio, dimostrando che l’agenzia spaziale statunitense ha saputo nuovamente dotarsi della capacità di estendere la presenza umana alla Luna e, in futuro, a destinazioni ancora più remote nel Sistema Solare.

L’obiettivo principale di Artemis I è quello di testare approfonditamente il sistema di trasporto SLS/Orion prima delle missioni con equipaggio. Oltre che alle performance nelle fasi di lancio e navigazione, Artemis I metterà a dura prova anche lo scudo termico della capsula in fase di rientro, e consentirà di esercitare le operazioni di ricerca e soccorso successive allo splashdown del veicolo nell’oceano Pacifico.

Dopo che il razzo SLS avrà lanciato Orion nello spazio, in una prima fase orbitale attorno alla Terra la capsula dispiegherà i suoi pannelli fotovoltaici, e poi lo stadio propulsivo criogenico ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage) darà a Orion la spinta decisiva verso la Luna. Questa manovra, chiamata iniezione translunare (TLI – TransLunar Injection), è necessaria per lasciare l’orbita terrestre e iniziare il viaggio verso il nostro satellite naturale. Completata la TLI, due ore circa dopo il lancio, Orion e ICPS si separeranno, consentendo il rilascio di 10 CubeSat immagazzinati nell’interstadio di ICPS. Questi piccoli satelliti svolgeranno una serie di esperimenti e dimostrazioni tecnologiche che variano dallo studio della Luna alla caratterizzazione dell’ambiente dello spazio profondo.

La capsula Orion, viaggiando in tandem con il suo modulo di servizio ESM, proseguirà fino a inserirsi in una particolare orbita lunare retrograda che consentirà un contatto radio costante con la Terra. Artemis I volerà per 26 giorni testando tutto l’hardware delle future missioni lunari con equipaggio.

Al termine della missione, la capsula Orion, liberatasi dal modulo di servizio ESM, rientrerà nell’oceano Pacifico al largo della California. La traiettoria scelta per il rientro la vedrà impattare l’atmosfera terrestre a una velocità di oltre 40.200 chilometri l’ora, pari a 11,175 chilometri al secondo. A questa fantastica velocità Orion sarebbe in grado di coprire la distanza tra Predoi, in Alto Adige, e Linosa, a sud della Sicilia, in meno di due minuti. L’enorme energia cinetica sarà dispersa in modo controllato nell’attrito con l’atmosfera, grazie a opportune manovre e alle caratteristiche dello scudo termico di Orion. Questa cruciale componente dovrà sopportare temperature fino a 2.760 °C (la metà della temperatura sulla superficie del Sole) prima che la capsula finisca la sua corsa tuffandosi nell’oceano. Orion sarà quindi ripescata e sarà sottoposta a un’accurata valutazione ingegneristica post volo.

Timeline della missione

Data e ora CET	MET	Evento
2022-11-16T07:47:00	0:00:00	DECOLLO
2022-11-16T07:49:12	0:02:12	Separazione SRB
2022-11-16T07:50:11	0:03:11	Espulsione carenatura modulo di servizio
2022-11-16T07:50:16	0:03:16	Espulsione sistema di aborto del lancio
2022-11-16T07:55:03	0:08:03	MECO – Spegnimento motori dello stadio centrale (core stage) di SLS
2022-11-16T07:55:15	0:08:15	Separazione ICPS dallo stadio centrale (staging core stage / ICPS)
2022-11-16T08:05:09	0:18:09	Apertura dei pannelli fotovoltaici di Orion (~12 minuti)
2022-11-16T08:39:56	0:52:56	Manovra di innalzamento del perigeo (~22 secondi)
2022-11-16T09:16:27	1:29:27	Manovra TLI (~17 minuti, 59 secondi)
2022-11-16T09:44:36	1:57:36	Separazione Orion dallo stadio ICPS (Orion / ICPS staging)
2022-11-16T09:45:58	1:58:58	Manovra di allontanamento di Orion da ICPS
2022-11-16T11:08:36	3:21:36	Manovra di allontanamento di ICPS
2022-11-16T11:27:00	3:40:00	Rilascio dei primi 5 cubesat Lunar IceCube, OMOTENASHI, EQUULEUS, BioSentinel, ArgoMoon
2022-11-16T12:57:00	5:10:00	Rilascio cubesat NEA SCOUT
2022-11-16T13:20:00	5:33:00	Rilascio cubesat LunaH-Map
2022-11-16T13:50:00	6:03:00	Rilascio cubesat LunIR
2022-11-16T14:50:00	7:03:00	Rilascio cubesat Team Miles
2022-11-16T15:34:31	7:47:31	Manovra correzione orbitale #1 – Outbound Trajectory Correction # 1 – Prima manovra compiuta con il modulo di servizio ESM
2022-11-16T15:50:00	8:03:00	Rilascio cubesat CuSP
2022-11-21T14:27:00	126:40:00	Accensione per flyby lunare (OPF), massimo avvicinamento alla Luna, minima distanza circa 96 km
2022-11-25T16:31:00	224:44:00	Accensione inserzione in orbita lunare retrograda (DRO)
2022-11-26T15:25:00	247:38:00	Superamento record di distanza di Apollo 13
2022-11-28T22:48:00	303:01:00	Massima distanza dalla Terra (480.494 km)
2022-12-01T23:36:00	375:49:00	Accensione di uscita dall’orbita lunare retrograda
2022-12-05T18:11:00	466:24:00	Accensione per flyby di ritorno
2022-12-11T19:23:00	611:36:00	Rientro atmosferico e splashdown nell’oceano Pacifico

La traiettoria di Artemis I: i dettagli

Il nostro autore Gianmarco Vespia ha spiegato in modo più dettagliato sulle pagine di ForumAstronatuico le fasi più particolari della traiettoria che Orion percorrerà nel corso della missione. Vediamo che cosa succederà il giorno del lancio.

• T+00:00:00:00 – Lancio
• T+00:00:02:12 – Separazione dei booster
• T+00:00:08:03 – Si spengono i motori del primo stadio. Siamo a 157 km di quota e se restasse tutto così, l’orbita del razzo sarebbe con apogeo di 1.808 km e perigeo di 30 km, ben dentro l’atmosfera. Questo è un dettaglio importante e voluto, perché ci si vuole assicurare che dopo la separazione (staging) il primo stadio rientri in atmosfera in un punto desiderato, distruggendosi quasi completamente ed evitando aree abitate.
• T+00:00:52:56 – Siamo poco dopo l’apogeo, a circa 1.800 km di quota. Il secondo stadio effettuerà un’accensione per cambiare quota al perigeo, mentre come detto il primo stadio sarà sulla traiettoria di rientro distruttivo. La nuova orbita del trenino spaziale formato dal secondo stadio di SLS e da Orion avrà un perigeo di 181 km e un apogeo di 1.808 km.
• T+00:01:29:27 – Siamo al perigeo, il punto migliore di un’orbita per effettuare alcuni tipo di manovre orbitali (effetto Oberth). Per questo proprio ora si accenderà il motore per lasciare l’orbita terrestre bassa e dirigersi verso la Luna (manovra TLI, Tranls-Lunar Injection). Tecnicamente, se non ci fosse la Luna, questa manovra non farebbe altro che allungare l’orbita in una nuova configurazione con perigeo di 429 km e apogeo di 369.500 km, ma ovviamente la Luna è ben presente, e naturalmente la sua influenza gravitazionale si farà sentire.
• T+00:01:57:36 – Il secondo stadio di SLS e Orion si separano. Il secondo stadio farà altre due accensioni: la prima un minuto dopo, per allontanarsi da Orion; la seconda, un’ora dopo, per immettersi in un’orbita eliocentrica e non trasformarsi in un massiccio e pericoloso detrito in orbita terrestre. È in questa fase che verranno rilasciati tutti i CubeSat imbarcati come payload secondario.

Tra il quarto e il nono giorno di missione si verificheranno un’altra serie di attività e manovre. Vediamole nel dettaglio.

• T+04:14:33:00 – Orion entra nella sfera di Hill della Luna. La sfera di Hill è una zona dove l’influenza gravitazionale propria di un certo corpo celeste, nel nostro caso la Luna, è maggiore di quella di altri corpi celesti. Orion sarà dunque abbastanza vicino da stabilire in orbita ellittica attorno alla Luna.
• T+05:06:09:00 – Siamo al momento della manovra LOI (Lunar Orbit Injection), l’importante manovra di inserzione in orbita lunare. La velocità con cui Orion si sta approcciando al nostro satellite non è adeguata per rimanere in orbita, e va quindi effettuata una manovra correttiva. Al solito, per effetto Oberth, è meglio effettuarla il più vicino possibile alla Luna, in questo caso a 140 km dalla superficie selenica.
• T+06:23:45:00 – Orion esce dalla sfera di Hill della Luna.
• T+09:08:53:00 – Manovra di inserimento in DRO (Distant Retrograde Orbit). Orion si inserisce ufficialmente in un’orbita distante retrograda avente un perilunio a circa 65.000 km e un apolunio di 85.000 km, e questo senza rientrare nella sfera di Hill della Luna. Tecnicamente, quindi, volendo essere proprio precisi, non è in una vera e propria orbita lunare, né ci andrà mai. Si tratta di un tecnicismo, ma a onor del vero l’orbita DRO di Artemis I è un’orbita terrestre con perigeo a 350.000 km e apogeo a 450.000 km.

La fase finale della missione vedrà invece lo svolgersi delle manovre necessarie a tornare verso la Terra.

• T+26:07:28:00 – Si conclude la fase “lunare” della missione. I motori dello ESM si accendono per lasciare la DRO e avvicinarsi alla Luna, dove sarà svolta un’altra manovra di Oberth.
• T+30:08:35:00 – Orion rientra nella sfera di Hill della Luna.
• T+32:02:57:00 – Siamo a 130 km di quota dalla superficie lunare, è il momento migliore per accendere i motori e inserirsi nella traiettoria verso casa.
• T+32:18:58:00 – Orion lascia definitivamente la sfera di Hill della Luna. Tecnicamente si trova in un’orbita terrestre con apogeo 380.000 km e perigeo 48 km, dentro l’atmosfera terrestre.
• T+37:23:38:00 – Orion entra in atmosfera e poco dopo ammara nell’oceano.

Artemis II e oltre

Se tutto andrà per il meglio, il programma Artemis proseguirà con la missione di test Artemis II. Questa sarà la prima missione della NASA con un equipaggio a bordo di Orion e avrà il compito di confermare le prestazioni di tutto il sistema anche in presenza astronauti. Il lancio, attualmente previsto per non prima dell’estate del 2024, sarà simile a quello di Artemis I, con un razzo SLS incaricato di trasportare la capsula Orion nello spazio.

Con un equipaggio di quattro astronauti a bordo, Orion e ICPS orbiteranno attorno alla Terra due volte prima della manovra TLI che darà il via al viaggio verso la Luna. Questa breve attesa consentirà di verificare che i sistemi di Orion stiano lavorando come previsto mentre si ha ancora la possibilità di un “facile” rientro a terra in caso di gravi problemi.

Questa volta però, dopo che Orion si sarà separato dall’ICPS, l’equipaggio userà lo stadio come obiettivo per una dimostrazione di operazioni di prossimità. Gli astronauti utilizzeranno le telecamere di bordo di Orion e gli oblò del veicolo spaziale per allinearsi con l’ICPS, avvicinandosi e allontanandosi dallo stadio per valutare la manovrabilità di Orion e la bontà del relativo hardware e software.

Questa dimostrazione fornirà dati sulle prestazioni del sistema ed esperienza operativa che non può essere acquisita facilmente con simulazioni a terra, e che saranno fondamentali per le operazioni di aggancio (docking) e sgancio (undocking) in orbita lunare a partire da Artemis III. Sarà infatti Artemis III, prevista per l’estate 2025, a portare quattro esseri umani ancora una volta verso Luna, questa volta per fare la storia con l’atterraggio dei primi astronauti del XXI secolo sulla superficie del satellite.

A cominciare da Artemis III, NASA intende lanciare missioni con equipaggio circa una volta all’anno, con il compito di creare una base sulla superficie e di costruire il Lunar Gateway: un avamposto in orbita intorno alla Luna, erede ideale del programma ISS, che fornirà un accesso facilitato a zone della Luna ostiche da raggiungere con lanci diretti dalla Terra.

Il razzo SLS

SLS è un lanciatore “pesante” (cioè in grado di lanciare nello spazio masse importanti, di decine di tonnellate) che fornisce le basi per l’esplorazione umana oltre l’orbita terrestre. Nel corso del suo lungo, travagliato e pluriennale sviluppo, questo vettore è sopravvissuto a moltissime critiche sia tecniche sia, soprattutto, politiche. Il programma SLS è stato, di fatto, un progetto disegnato accuratamente dal Congresso americano per cogliere essenzialmente tre obiettivi:

• dotare la NASA della capacità autonoma e strategica di inviare carichi pesanti nello spazio con un suo lanciatore;
• riciclare il più possibile l’hardware lasciato in eredità dal programma Shuttle, con il riutilizzo in versione “a perdere” dei motori SSME RS-25;
• distribuire commesse aerospaziali a vari stati dell’unione, distribuendo in aree chiave lavoro di alto livello e ben retribuito, come già fatto per i programmi Apollo e Space Shuttle.

In questo senso SLS è stato un successo, anche se ottenuto al prezzo di varie inefficienze che si sono tradotte in anni di ritardo sul piano di sviluppo originale e costi che hanno superato di molto i preventivi iniziali.

Per quanto SLS abbia dimostrato di essere pronto a volare superando brillantemente vari test a terra, il vettore non si può ancora definire come completato. Il suo secondo stadio, l’ICPS, deve la definizione di “interim” al ruolo di sostituto provvisorio dell’EUS (Exploration Upper Stage), uno stadio più potente, ancora in lavorazione, necessario per un’ulteriore espansione verso l’esterno del sistema solare.

Tutte le varianti di SLS si basano su alcuni elementi comuni:

• uno stadio centrale centrale che ospita serbatoi di propellente e i motori, con vari elementi di derivazione Space Shuttle;
• avionica e punti di attacco per due razzi laterali a combustibile solido;
• due Solid Rocket Booster a 5 segmenti derivati dagli SRB dello Space Shuttle, che forniscono la maggior parte della spinta iniziale;
• quattro motori RS-25 a propellente liquido alimentati da idrogeno e ossigeno liquidi criogenici;
• uno stadio superiore (ICPS o EUS) alimentato da idrogeno e ossigeno liquidi per la propulsione nello spazio dopo la separazione dal core stage.

SLS in numeri

Tipologia	Lanciatore pesante
Altezza	98,3 m
Peso	2.603.000 kg incluso propellente 1.588.000 kg a secco
Propulsione	Quattro motori RS-25 a propellente liquido Due razzi a combustibile solido (SRB) a cinque segmenti
Spinta massima	38.144 kN
Velocità massima	26371 km/h al termine della manovra TLI tramite ICPS
Payload in LEO	95.000 kg
Payload a TLI	27.000 kg

La capsula Orion

La capsula Orion, costruita da Lockheed Martin per la NASA, è specificamente progettata per il trasporto di astronauti in missioni di esplorazione dello spazio profondo. Per ottemperare a questo compito Orion è dotata di tecnologie al momento uniche nel campo dei veicoli spaziali con equipaggio. Un sistema di supporto ambientale e vitale avanzato, navigazione, comunicazioni, schermatura dalle radiazioni e uno scudo termico altamente performante sono le caratteristiche che rendono questa capsula capace di affrontare spedizioni sia verso la Luna sia, in futuro, verso destinazioni ancora più distanti dalla Terra.

Con Artemis I questi sistemi saranno sottoposti al test più rappresentativo: una prova di volo, ancora senza equipaggio, studiata per verificare l’efficienza del veicolo e anche le sue capacità di comunicazione e navigazione una volta al di fuori del “guscio” rappresentato dalla copertura dei satelliti GPS e per telecomunicazioni che orbitano il nostro pianeta. Grazie a sensori installati nella capsula e nei manichini antropomorfi che occuperanno i sedili destinati ai futuri astronauti, si raccoglieranno anche dati ambientali con particolare riguardo ai livelli di radiazioni presenti al di fuori della protezione offerta dal campo magnetico terrestre.

Con Artemis II, nel 2024, saranno proprio gli astronauti a mettere alla prova altri sistemi di Orion, in particolare il sistema di supporto vitale, i nuovi monitor e strumenti di bordo, servizi igienici compatti di nuova generazione e attrezzi ginnici utili a mantenere un’attività muscolare e scheletrica sufficiente a prevenire fenomeni di atrofia.

Per quanto Orion abbia attinto a piene mani dalla cinquantennale esperienza di NASA nella costruzione di veicoli spaziali abitati, la capsula è stata progettata esplicitamente per rispondere ai requisiti del viaggio nello spazio profondo. Dovendo rinunciare alla possibilità di un ritorno rapido a Terra, ogni strumento e sistema di bordo deve essere caratterizzato da un’affidabilità eccezionale. Lo studio dell’ergonomia di bordo ha cercato di conciliare due aspetti in competizione tra loro: massimizzare lo spazio disponibile per gli astronauti e allo stesso tempo far posto a grandi quantità di carico tra cui proprio i materiali di consumo necessari a sostenere la vita degli occupanti per settimane. Sarà sempre Artemis II a validare le tecnologie di rendez-vous che saranno utilizzate per i futuri veicoli da sbarco lunare e per attraccare alla stazione Gateway in orbita lunare.

Orion si divide in due componenti principali: il modulo per l’equipaggio (Crew Module) e il modulo di servizio (European Service Module) fornito da ESA. A questi si aggiungono il sistema di fuga LES (Launch Abort System), il sistema dei paracadute, e varie carenature aerodinamiche che vengono espulse durante l’ascesa.

Il modulo per l’equipaggio è la parte pressurizzata di Orion, all’interno della quale i membri dell’equipaggio in missioni future vivranno e lavoreranno durante il viaggio di andata e ritorno verso la Luna. Si tratta dell’unico elemento di Orion che ritornerà sulla Terra alla fine della missione. La capsula è in grado di ospitare fino a quattro astronauti per un massimo di 21 giorni senza necessità di attraccare a un altro veicolo spaziale, e fornirà un ambiente lavorativo sicuro per tutte le fasi del volo: lancio, operazioni in orbita, atterraggio e recupero.

ESM – Modulo di Servizio Europeo

Il modulo di servizio europeo di Orion è fornito dall’ESA, che ne ha affidato la costruzione all’azienda aerospaziale Airbus quale appaltatore principale. È la “centrale elettrica” che alimenta e consente di manovrare Orion nello spazio. Il modulo di servizio si trova sotto il modulo dell’equipaggio ed è progettato per missioni verso lo spazio profondo. Il suo ruolo è fornire funzioni critiche per Orion, tra cui propulsione, controllo termico e generazione di energia elettrica tramite pannelli fotovoltaici. Il sistema di stoccaggio dei materiali di consumo del modulo di servizio fornirà acqua potabile, azoto e ossigeno al modulo dell’equipaggio.

Lo scafo cilindrico di ESM non è pressurizzato e, comprendendo il motore principale, è lungo poco meno di 5 metri. Durante il lancio, il modulo è protetto da una carenatura costituita da tre pannelli che lo proteggono dalle difficili condizioni ambientali tipiche della fase di ascesa verso l’orbita terrestre: calore, vento e vibrazioni acustiche. Una volta al di fuori della parte più densa dell’atmosfera, i pannelli della carenatura vengono espulsi così che, dopo la separazione dal secondo stadio di SLS, possa avvenire l’apertura dei pannelli fotovoltaici. ESM resta agganciato alla capsula Orion per tutta la durata della missione antecedente il rientro atmosferico. Non dotato di scudo termico ed esaurito il suo compito, il modulo di servizio viene espulso poco prima, con la capsula dell’equipaggio che da quel punto farà ricorso alle sue batterie e risorse interne.

ESM è responsabile delle manovre orbitali e del mantenimento dell’assetto. A tale scopo è stato dotato di un totale di 33 motori: un motore principale, otto motori ausiliari e ventiquattro propulsori di manovra (thruster). Il motore principale è costituito da un AJ10-190 appartenente allo stock di motori recuperati dagli Space Shuttle, in particolare all’Orbital Maneuvering System delle navette. I razzi ausiliari sono R4D-11, anch’essi prodotti da Aerojet Rocketdyne. Questi propulsori sono stati forniti dalla NASA. Il sistema RCS per il controllo fine dell’assetto è costituito da propulsori forniti dall’ESA, e sono dello stesso tipo di quello montati sulle navette di rifornimento ATV che hanno volato verso la ISS tra il 2008 e il 2015.

Al motore principale di ESM saranno affidate manovre orbitali fondamentali come l’inserimento e l’uscita di Orion dall’orbita lunare retrograda. Gli otto motori ausiliari saranno usati per semplici traslazioni e come backup del motore principale. I ventiquattro thruster invece saranno divisi in due gruppi, uno backup dell’altro, ed effettueranno solo piccole correzioni di traiettoria. Il sistema propulsivo di ESM può anche intervenire in caso di aborto tardivo della missione, quando il complesso di Orion è ormai separato da SLS. La struttura del modulo di servizio è ricoperta in Kevlar per assorbire gli urti delle micrometeoriti e degli impatti di eventuali detriti.

Il sistema di alimentazione elettrica del modulo di servizio fornisce potenza alla navicella Orion e gestisce la potenza generata dalle quattro “ali” di pannelli fotovoltaici necessari anche a caricare le batterie principali del modulo dell’equipaggio. Ogni ala, lunga circa 7 metri, è composta da tre pannelli quadrati di due metri di lato e costituiti da celle di arseniuro di gallio. I pannelli possono ruotare su due assi per rimanere allineati con il sole e massimizzare la potenza erogata.

Il sistema di controllo termico del modulo di servizio include radiatori e scambiatori di calore per mantenere le apparecchiature e i futuri astronauti a una temperatura confortevole. Tale sistema include una parte attiva, che trasferisce il calore dell’intera navicella spaziale ai radiatori del modulo di servizio, e una parte passiva, che protegge l’equilibrio termico interno de modulo di servizio.

Orion in numeri

Peso lordo complessivo al decollo	32.650 kg
Massa all’inizio della manovra TLI	24.050 kg
Massa al termine della manovra TLI	23.850 kg
Massa del propellente	7.250 kg
Crew Module – Modulo per l’equipaggio
Altezza	3,3 m
Diametro base	5 m
Totale volume pressurizzato	19,5 m3
Volume abitabile	9 m3
Carico utile riportabile a terra	100 kg
Massa all’atterraggio	8.250 kg
European Service Module – Modulo di servizio europeo
Lunghezza	4,75 m
Diametro	5 m
Peso lordo al decollo	14.000 kg

Fonti

• NASA – SLS Reference Guide
• NASA – Artemis I Media Resources