Immaginate di essere uno degli investigatori scientifici, una spia che ha trovato una delle chiavi per i misteri dell'universo. Avete deciso di fare un po' di indagini su Saturno, e per questo avete raccolto un po' di quegli aggeggi tanto cari a James Bond. Ora dovete trovare un modo per arrivare alla vostra destinazione, Saturno, per risolvere il mistero. Bene, ci vorrebbe un bel motore a fusione, o un salto nello spazio-tempo -- ma queste tecnologie sono ancora di là da venire....Per ora sono solo dei begli effetti speciali in televisione. Così dovete indagare con cura, e "rubare" un po' di preziosa energia là dove potete trovarla. Scoprite una tecnica segreta per sfruttare il campo gravitazionale di un pianeta. Le vostre conoscenze e il duro lavoro vi portano dove volete arrivare, e decidete di chiamare la vostra scoperta "assistenza gravitazionale".

Una generazione di spettatori televisivi in tutto il mondo è rimasta impressionata dalle forze in gioco durante il lancio di un missile spaziale. I progettisti di traiettoria di Cassini, comunque, sanno che la missilistica moderna ha i suoi limiti. Per esempio, per andare dritti a Saturno, una nave spaziale dovrebbe essere proiettata nello spazio ad una velocità di circa 10 Km al secondo ! Il Titan IV con uno stadio iniziale Centauro, può gettare nello spazio la navicella Cassini ad 'appena' circa 4 Km al secondo. Come fare allora per arrivare su Saturno ? La risposta sta nel nostro schema di assistenza gravitazionale. Concettualmente, l'idea è di usare la gravità di altri pianeti per fare quel lavoraccio di accelerare la navicella in modo che possa raggiungere finalmente Saturno.
Durante questa assistenza planetaria c'è uno scambio di energia fra il pianeta e la navicella, cosa che fa sì che essa aumenti la sua velocità e modifichi la sua direzione relativamente al Sole.

Lo sapevate..? La navicella Cassini è grande e pesante più o meno come un autobus da 30 passeggeri. Pesa circa 6 tonnellate, metà delle quali sono rappresentate dal carburante.

Prima che fosse scoperto il concetto di assistenza gravitazionale nei primi anni '60, le navicelle interplanetarie erano oggettivamente limitate a visitare Marte, Venere e Giove. Gli altri pianeti non potevano essere raggiunti da navicelle di una certa dimensione, senza impiegare decenni per arrivare a destinazione. Usando l'assistenza gravitazionale sono possibili missioni verso tutti i pianeti. L'unica energia richiesta è quella necessaria per arrivare al primo pianeta, tutti i successivi pianeti sono più o meno 'gratis'.

L' assistenza gravitazionale è una tecnica così potente che a tutti coloro che si occupano di analisi di traiettorie sembra magica. Le missioni Voyager hanno fornito forse l'esempio più impressionante del loro impiego.
Queste missioni hanno sfruttato un allineamento planetario che capita solo una volta ogni 175 anni per sparare due navicelle di pianeta in pianeta per oltre 12 anni..

Parliamo di gravità

La forza di gravità, come sa ogni studente, è ciò che ci tiene attaccati alla Terra. Isaac Newton scoprì che il motivo per il quale la Terra ha una forza gravitazionale è perché ha una massa. (la leggenda dice che Newton scoprì questo concetto dopo che una mela gli cadde in testa). Tutto ciò che ha una massa esercita una forza gravitazionale. Più l'oggetto ha massa, più grande è la forza gravitazionale che esercita.

I viaggi spaziali sono basati sul concetto che l'adagio "tutto ciò che sale deve scendere" non è sempre vero. Se noi diamo ad un oggetto (una nave spaziale, per esempio) una velocità sufficientemente elevata, essa entra in orbita attorno alla Terra; ancora più veloce, ed esso lascia l'orbita terrestre. La velocità alla quale un oggetto lascia l'orbita della Terra è chiamata, abbastanza ovviamente, velocità di fuga.

Quando una nave spaziale lascia l'orbita terrestre, entra in una sua orbita attorno al Sole. La transizione è graduale, governata dal fatto che la forza gravitazionale esercitata da un oggetto (p.es. la Terra) diminuisce con la distanza. Siccome il Sole è l'oggetto con più massa nel sistema solare, quando ci allontaniamo abbastanza dalla Terra, l'attrazione del Sole prende il sopravvento. Una navicella che si allontana dalla Terra si comporta sempre più come se stesse orbitando attorno al Sole e sempre meno come se stesse orbitando attorno alla Terra.
Il processo si inverte durante il passaggio attorno ad un pianeta. Inizialmente la navicella è lontana dal pianeta. in orbita attorno al Sole. Come si avvicina al pianeta, la forza gravitazionale diventa più forte, sopraffacendo la forza del Sole, nelle vicinanze del pianeta. Siccome la velocità della navicella è maggiore della velocità di fuga, la navicella continua dritta nella sua traiettoria, anziché entrare in orbita attorno ad esso.

Comunque, la gravità del pianeta curva la traiettoria della navicella, quando essa vi vola dentro. Questo vuol dire che la navicella lascia il pianeta in una direzione diversa da quella che aveva nell'avvicinamento, e quando lascia il pianeta per il vuoto dello spazio profondo, la sua orbita attorno al Sole non è più quella che aveva prima.

Più ravvicinato è il passaggio e tanto maggiore è la massa del pianeta, maggiormente la traiettoria viene deviata. Ogni aumento o diminuzione nella velocità della navicella dipende dallo scambio energetico fra il pianeta e la navicella. Cioè se la navicella accelera, il pianeta deve rallentare. Comunque, siccome il pianeta ha molta più massa della navicella, rallenta solo di una quantità che è impossibile misurare dando alla navicella una bella accelerazione.
 

La difficoltà di spiegare questo scambio di energia, ha portato al divertente aneddoto, capitato ad una conferenza stampa sulla Missione Galileo verso Giove molti anni fa. Dopo una lunga spiegazione di come la navicella Galileo avrebbe utilizzato i passaggi vicino alla Terra per aiutarsi nel volo vero il gigante rosso, un giornalista chiese se il rallentamento della Terra dovuto allo scambio energetico fosse stato preoccupante per l'ambiente. La risposta fu ovviamente negativa, corredata della spiegazione del perché il rallentamento fosse, per la Terra, insignificativamente piccolo. Una voce quindi offrì un pittoresco suggerimento: allo scopo di ristabilire la velocità della Terra al valore di prima del passaggio della sonda Galileo, si sarebbe solamente dovuto lanciare un'altra navicella e farla volare nella direzione opposta !

La traiettoria principale di Cassini: L'apoteosi dell'assistenza gravitazionale !

La traiettoria 'primaria' di Cassini è progettata per mandare una navicella di 5650 kg (un piccolo autobus!) verso Saturno in circa 6 anni e 9 mesi. La navicella Cassini è inizialmente lanciata verso l' interno del Sistema Solare, non verso l'esterno, e punta verso Venere anziché verso Saturno. Dopo aver preso in esame letteralmente migliaia di possibili percorsi, i progettisti di missione idearono una traiettoria consistente in due passaggi vicino a Venere, un passaggio vicino alla Terra e uno vicino a Giove. Solo dopo queste quattro 'assistenze gravitazionali' la navicella sarebbe stata in grado di raggiungere Saturno. Essa ha 'rubato' energia dagli altri pianeti usando i rispettivi campi gravitazionali.

Lo sapevate....? Quando la navicella volerà attorno a Giove, aumenterà la sua velocità di circa 16 km al secondo, rallentando Giove di 30 cm ogni 1000 miliardi di anni !

La missione Cassini è partita nell'ottobre del 1997 usando il Titan IV/Centauro, con motore a solido aggiornato ( Upgraded Solid Rocket Motor (SRMU)) la traiettoria con assistenza gravitazionale Venere-Venere-Terra-Giove (Venus-Venus-Earth-Jupiter Gravity Assist - VVEJGA) fornisce l' energia necessaria per raggiungere Saturno, richiede una manovra deterministica, anche detta Manovra nello Spazio Profondo (Deep Space Maneuver - DSM).

Questa manovra è stata effettuata dopo il primo incontro con Venere (aprile 1998), per abbassare il perielio (il punto più vicino rispetto al Sole, e mettere la navicella sulla strada giusta per il secondo incontro con Venere (giugno '99).. 

La traiettoria primaria si avvantaggia del fatto che Giove, che è il più pesante pianeta del Sistema Solare, (e quindi, il migliore da usarsi per le assistenze gravitazionali) sarà nel punto giusto, rispetto a Saturno, (in altre parole, sullo stesso lato del Sole, e così via) per essere usato come ultimo 'colpo di catapulta'. Prolungare l'attesa per il lancio, ci impedirebbe di usare la gravità di Giove, che non sarebbe più allineato con Saturno, costringendoci ad usare un'altra traiettoria, che ci porterebbe a Saturno in maggior tempo.

Sei anni possono sembrare tanti per andare su Saturno (che non sembra così lontano, essendo visibile di notte, anche da una città inquinata), ma ricordate che Saturno è dieci volte più lontano dalla Terra che il Sole, cioè 1.430.000 km -- rendendo il viaggio di Cassini enorme. Dal punto di vista della navicella, è equivalente al viaggio di una formica 60 volte attorno alla Terra ! E senza assistenze gravitazionali, o un lanciatore molto più grande, non si potrebbe arrivare a destinazione in un tempo ragionevole.