Le prime Fondazioni Teorici e gli Esperimenti di età pre-spazio

Il sogno di mettere un oggetto artificiale in orbita intorno alla Terra è secoli fa. L’esperimento di pensiero di Sir Isaac Newton di un “cannon su un monte superiore” ha descritto il principio del movimento orbitale nel suo Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica[] (1687). Newton ha mostrato che se un proiettile fosse stato lanciato con velocità orizzontale sufficiente, il suo traiettorio avrebbe curvato abbastanza perenne perenne per sempre per corrispondere a un terreno di corrispondenza.

Nel tardo XIX secolo e all’inizio del XX secolo, i pionieri della razzo cominciarono a trasformare la teoria di Newton in possibilità pratica. L’insegnante russo Konstantin Tsiolkovsky dedusse l’equazione dei razzi nel 1903 e propose dei razzi multistadio come l’unico modo per raggiungere la velocità di stabilizzazione orbitale.

Gli ingegneri tedeschi sotto Wernher von Braun crearono il missile balistico V‐2, il primo oggetto artificiale a raggiungere lo spazio (un'altitudine suborbitale di 176 km nel 1944). Dopo la guerra, sia gli Stati Uniti che l'Unione Sovietica catturarono hardware e personale V‐2. Negli Stati Uniti, l'Operazione Paperclip portò von Braun- e il suo team a lavorare su razzi americani.

Il Catalizzatore della guerra fredda e la corsa spaziale comincia

La rivalità geopolitica tra gli Stati Uniti e l'Unione Sovietica dopo il 1945 ha fornito la volontà politica e i finanziamenti necessari per trasformare i sogni satellitari in realtà. Entrambe le superpoteri stavano sviluppando missili balistici intercontinentali (ICBM) che potrebbero consegnare testate nucleari. Un lanciatore satellitare era essenzialmente un ICBM con un carico più leggero, quindi la tecnologia era trasferibile direttamente.

Nel 1955, gli Stati Uniti annunciarono che avrebbe lanciato un satellite scientifico come parte dell'Anno Geofisico Internazionale (IGY) del 1957-1958. Il programma statunitense, Project Vanguard, fu gestito dal Naval Research Laboratory e utilizzato un nuovo razzo civile. L'Unione Sovietica, nel frattempo, aveva segretamente sviluppato la propria capacità satellitare sotto Korolev.

Il 4 ottobre 1957 l'Unione Sovietica ha sconvolto il mondo lanciando Sputnik 1 (russo per “fellow traveler”), il primo satellite artificiale della Terra. La sfera di 83.6-kg ha trasmesso un semplice segnale “beep-beep” della NASA su due frequenze radio.

Sputnik 1: Il primo satellite artificiale

Sputnik 1 era una sfera in lega di alluminio lucida di 58 cm di diametro. Ha portato due trasmettitori radio (20.005 e 40.002 MHz) alimentati da batterie in argento-zinco che duravano circa tre settimane. Il satellite inoltre conteneva un interruttore a pressione attivato che ha innescato se la sfera sigillata ha perso l'atmosfera, anche se nessuna telemetria è stata restituita oltre i parametri del segnale radio radio. Il segnale 20 MHz potrebbe essere ricevuto da operatori radio dilettanti in tutto il mondo, trasformando la storia ordinaria dei cittadini in partecipanti.

Anche se Sputnik 1 ha portato la strumentazione minima, i suoi segnali radio sono stati scientificamente preziosi. Gli scienziati hanno tracciato il passaggio Doppler dei segnali per determinare l'orbita del satellite precisamente. Questo monitoraggio ha rivelato che l'atmosfera superiore della Terra – sopra i 200 km – era più densa del previsto, perché l'orbita di Sputnik è diminuita più velocemente di quanto previsto.

Inoltre, il trasmettitore da 20 MHz è servito come faro per stazioni di terra in tutto il mondo, dimostrando la fattibilità del tracciamento satellitare e delle comunicazioni. Il satellite orbitò per 92 giorni, completando 1.440 orbite prima di bruciare nell'atmosfera il 4 gennaio 1958.

Il Dopomath immediato: Sputnik 2 e Laika

Insormontato dal successo di Sputnik 1, l’Unione Sovietica si precipitò a lanciare un satellite più pesante e ambizioso il 3 novembre 1957 – un mese dopo. Sputnik 2 pesava 508 kg e portava un sistema di supporto vitale e un cane chiamato Laika.

La cabina di Laika conteneva un ventilatore, un distributore di cibo e strumenti per misurare il suo tasso di cuore, la respirazione e la pressione sanguigna. Purtroppo, il sistema di controllo termico non è riuscito subito dopo il lancio, e Laika è morto da stress e surriscaldamento entro poche ore (confermando la necessità di un supporto vitale affidabile nelle missioni successive).

La risposta americana: Explorer 1 e la scoperta delle cinghie Van Allen

Gli Stati Uniti hanno subito un fallimento umiliante il 6 dicembre 1957, quando il razzo è esploso sul lancio. L'Agenzia Ballistica dell'Esercito, guidata da Wernher von Braun, aveva sviluppato un lanciatore satellitare di backup noto come il Jupiter‐C (un razzo Redstone modificato). Il 31 gennaio 1958, il team di von Braplor ha lanciato con successo [0F][

Il suo più importante strumento scientifico è stato un contatore Geiger‐Müller portato dal Dr. James Van Allen dell'Università di Iowa. Van Allen aveva progettato l'esperimento per misurare la radiazione cosmica. Durante l'orbita, il contatore Geiger è andato in silenzio a certe altitudini, raggiungendo misteriosamente zero conteggi. Alcuni ingegneri pensavano che lo strumento fosse fallito.

Questi dati accattivanti hanno portato alla scoperta delle cinghie di radiazione di Van Allen[, due zone a forma di ciambella di protoni ad alta energia ed elettroni intrappolati dal campo magnetico terrestre.

Vanguard 1 e la forma della Terra

Dopo l'iniziale fallimento Vanguard, il programma riuscì a [Vanguard 1] il 17 marzo 1958. Questo piccolo satellite sferico da 1.47-kg fu il primo ad essere alimentato da celle solari – sei piccoli pannelli di silicio che tenevano le batterie caricate e permettevano al satellite di trasmettere per anni anziché settimane. Vanguard 1 rimane in orbita oggi, rendendolo l'oggetto più antico e umano nello spazio.

Vanguard 1 ha portato due strumenti scientifici: un termistore per misurare la temperatura interna e un paio di trasmettitori radio. Il vero payoff scientifico è venuto da un preciso tracciamento dell'orbita di Vanguard.Analizzando le perturbazioni sottili nel percorso del satellite, i geodesisti hanno calcolato che la Terra è leggermente a forma di pera – l'emisfero meridionale è un po 'flatter" e l'e l'e l'emisfero settentrionale è leggermente "bulgeno" in relazione alla misura media di curvatura dei dati geodeiferici.

Altre missioni scientifiche

Gli anni 1958-1960 videro un'infinità di lancio via satellite da entrambi i superpoteri, ciascuno con carichi di pagamento scientifici concentrati:

  • Explorer 3[] (marzo 1958): Prese un registratore di nastro per memorizzare le misurazioni delle radiazioni e li riscuoteva sulla Terra, confermando l’esistenza delle cinghie di Van Allen e fornendo dati più dettagliati.
  • SCORE[] (dicembre 1958): Il primo satellite di comunicazione – un relè che trasmette il messaggio di Natale del Presidente Eisenhower.
  • Vanguard 2[] (Febbraio 1959): Carried photocells per misurare la copertura cloud, ma il satellite si è tumbleed a causa di un difetto di progettazione, limitandone l'utilità.
  • Explorer 6[[] (agosto 1959): Conosciuto anche come “il satellite del volano”, trasmetteva la prima immagine televisiva grezza della Terra dallo spazio e misurava i raggi cosmici, i campi magnetici e i micrometeoroidi.
  • TIROS-1] (aprile 1960): Il primo satellite meteo dedicato, gestito dalla NASA, ha restituito migliaia di immagini di copertura cloud e ha segnato l'inizio della meteorologia operativa dallo spazio.
  • Trasferimento 1B[] (aprile 1960): Il primo satellite sperimentale di navigazione, il predecessore del Global Positioning System (GPS), che utilizzava i turni Doppler dei suoi segnali per consentire ai sommergibili di determinare le loro posizioni.

Questi voli iniziali hanno dimostrato le diverse applicazioni scientifiche e pratiche dei satelliti artificiali e hanno messo la fase per i programmi molto più ambiziosi degli anni '60.

Innovazioni tecnologiche derivate dai satelliti primitivi

I primi satelliti erano notevoli non solo per i loro contributi scientifici ma anche per le scoperte ingegneristiche che avevano richiesto. La miniaturizzazione dell'elettronica – tubi sottovuoto, resistenze e condensatori – doveva sopportare le vibrazioni del lancio e del vuoto dello spazio. Il controllo termico è stato ottenuto attraverso un'attenta scelta di rivestimenti e materiali; Sputnik 1 ha usato una superficie lucida per mantenere le temperature stabili, mentre Vanguard 1 ha usato una combinazione di vernice bianca e placcatura in oro per la regolazione passiva.

Le celle solari, testate per la prima volta su Vanguard 1, sono diventate la fonte di energia standard per quasi tutti i satelliti successivi. I sistemi di telemetria si sono evoluti da semplici beacon a onde continue (Sputnik) a riproduzione a nastro (Explorer 3) e alla fine a modulazione a codice a impulsi (Explorer 6) che potrebbero trasmettere molto più dati.

Legacy e l'alba dell'età spaziale

I primi satelliti artificiali hanno raggiunto molto più di quanto i loro progettisti osavano sperare: hanno trasformato le scienze della Terra fornendo una prospettiva globale sull’atmosfera, la magnetosfera e il campo di gravità. Hanno lanciato i campi della fisica del plasma spaziale, della geodesia satellitare e della ricerca meteorologica spaziale. La scoperta delle cinture di Van Allen, la misurazione della resistenza atmosferica e l’imaging delle nuvole della Terra sono stati precursori diretti al monitoraggio del clima, previsioni, GPS e in tempo reale.

Politicamente, i primi satelliti hanno concluso l'illusione che qualsiasi nazione potesse dominare unilateralmente l'"alto terreno" dello spazio. Lo spirito dell'Anno Geofisico Internazionale – condivisione dei dati e pubblicazione aperta – ha influenzato l'accordo successivo per rendere lo spazio un dominio per un uso pacifico, culminando nel Trattato Spazio Estero del 1967. I programmi statunitensi e sovietici, anche se competitivi, hanno anche iniziato scambi scientifici e simposi congiunti, ponendo le basi per una eventuale cooperazione su progetti come il Project-Soyuz International.

Nei decenni successivi, i satelliti sono diventati indispensabili per comunicazioni, navigazione, osservazione della Terra e esplorazione dello spazio profondo. Ogni satellite moderno – da un'unità GPS in un'automobile a un orbiter di Marte – deve la sua esistenza al lavoro pionieristico di queste prime sfere e cilindri. Gli ingegneri e gli scienziati che li hanno costruiti, spesso con regole di scorrimento e saldature, hanno dimostrato che l'umanità poteva lasciare la culla e imparare dall'alto.

“I primi satelliti ci hanno insegnato che il cielo non è il limite – è solo l’inizio di una frontiera molto più grande.” – James Van Allen, 1958

Per ulteriori informazioni, vedere la pagina Sputnik [] della divisione storia dell'NASA[], la []Jet Propulsion Laboratory’s Explorer 1 mission Overview, e il ] i dati di Vanguard 1 archiviati di NOAA.