Matematica della meccanica orbitale, passo dopo passo

Dalla prima equazione dell’orbita al problema di Lambert: dimostrazioni, esempi svolti ed esercizi, dal primo anno al dottorato.

Costanti usate in questa pagina

μ⊕=398 600.4418 km3/s2\mu_\oplus=398\,600.4418\ \text{km}^3/\text{s}^2
R⊕=6378.137 kmR_\oplus=6378.137\ \text{km}
J2=1.08262668×10−3J_2=1.08262668\times10^{-3}
g0=9.80665 m/s2g_0=9.80665\ \text{m/s}^2
Tsid=86 164.0905 sT_{sid}=86\,164.0905\ \text{s}

Ogni numero di questa pagina è calcolato dallo script di generazione del sito (scripts/learn_calc.py) e verificato: da LEO 300 km a GEO si ottengono circa 3,89 km/s, come nei libri di testo; l’esempio di Lambert è verificato integrando numericamente l’orbita.

Provalo nell’Orbit Lab

Orbite circolari, periodo e velocità di fuga

  • Ragazzi
  • Corso post-diploma
  • Laurea triennale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 15 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Ricavare la velocità di un’orbita circolare dalle leggi di Newton; calcolare un periodo; spiegare perché la velocità di fuga è √2 volte quella circolare.

Prerequisiti

Algebra, seconda legge di Newton, accelerazione centripeta v²/r. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

In un’orbita circolare la gravità fornisce esattamente la forza centripeta necessaria per curvare. Usiamo il parametro gravitazionale μ = GM, noto con molta più precisione di G o M separatamente.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

Un satellite è come una palla legata a uno spago che fai girare sopra la testa. La gravità è lo spago. Troppo lento e la palla cade; alla velocità giusta gira e gira.

Passo dopo passo

  1. GMmr2=mv2r\frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}
    Gravità = massa × accelerazione centripeta.
  2. vc=μrv_c=\sqrt{\frac{\mu}{r}}
    Semplificare m e ricavare v.
  3. T=2πrvc=2πr3μT=\frac{2\pi r}{v_c}=2\pi\sqrt{\frac{r^3}{\mu}}
    Periodo = circonferenza / velocità.
  4. 12vesc2−μr=0  ⇒  vesc=2μr=2 vc\tfrac12 v_{esc}^2-\frac{\mu}{r}=0\;\Rightarrow\; v_{esc}=\sqrt{\frac{2\mu}{r}}=\sqrt2\,v_c
    Fuga: l’energia totale arriva esattamente a zero.

Esempio svolto

Dati
Orbita circolare a 400 km di quota.
Incognita
Velocità v_c e periodo T.
Strategia
Usare r = R⊕ + h, poi v_c = √(μ/r) e T = 2πr/v_c.
Passaggi
  1. r = 6378.137 + 400 = 6778.137 km
  2. v_c = √(398600.4418 / 6778.137) = 7,6686 km/s
  3. T = 2π · 6778.137 / 7,6686 s = 92,56 min
Risposta
v_c = 7,669 km/s, T = 92,6 min.
Controllo di plausibilità
La NASA indica per la stazione circa 7,7 km/s e circa 90 minuti per orbita: i numeri tornano.
Significato
Circa 15–16 orbite al giorno: la base per pianificare i passaggi sulle stazioni di terra.
Mostra il codice Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
r = RE + 400
v = math.sqrt(mu / r)
T = 2 * math.pi * r / v
print(v, T / 60)   # km/s, min

Esercizi con correzione automatica

  1. km/s

    Soluzione completa

    r = 7178,137 km; v = √(398600,4418/7178,137) = 7,4518 km/s.

  2. min

    Soluzione completa

    T = 2π√(7178,137³/398600,4418) s = 100,87 min.

Esercizi

  1. Trova il raggio di un’orbita con periodo pari a un giorno siderale (86 164,09 s).

    Mostra la soluzione

    r = (μ T²/4π²)^(1/3) = 42164 km (geostazionaria), con v_c = 3,075 km/s.

Errore frequente

Usare la quota invece del raggio. r si misura dal centro della Terra: r = R⊕ + h.

Riferimenti

  • NASA, Basics of Space Flight.
  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.

Le tre leggi di Keplero

  • Ragazzi
  • Corso post-diploma
  • Laurea triennale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 15 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Enunciare le leggi di Keplero; mostrare che la legge delle aree è la conservazione del momento angolare; ricavare la terza legge.

Prerequisiti

Geometria dell’ellisse (a, e), prodotto vettoriale, derivata di un’area. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

1) Le orbite sono coniche con il corpo centrale in un fuoco. 2) Il raggio vettore spazza aree uguali in tempi uguali. 3) T² è proporzionale ad a³.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

I pianeti accelerano vicino al Sole e rallentano lontano, come uno skater in un half-pipe: più veloce in basso, più lento in alto.

Passo dopo passo

  1. dA=12 ∣r×dr∣  ⇒  dAdt=12∣r×v∣=h2dA=\tfrac12\,|\mathbf r\times d\mathbf r|\;\Rightarrow\;\frac{dA}{dt}=\tfrac12|\mathbf r\times\mathbf v|=\frac{h}{2}
    L’area spazzata per unità di tempo è metà del momento angolare specifico h.
  2. h˙=r˙×v+r×(−μr3r)=0\dot{\mathbf h}=\dot{\mathbf r}\times\mathbf v+\mathbf r\times\left(-\frac{\mu}{r^3}\mathbf r\right)=\mathbf 0
    Con forza centrale h è costante, quindi anche dA/dt (2ª legge).
  3. T=πabh/2,h=μa(1−e2),b=a1−e2T=\frac{\pi ab}{h/2},\quad h=\sqrt{\mu a(1-e^2)},\quad b=a\sqrt{1-e^2}
    Area totale dell’ellisse divisa per la velocità areolare.
  4. T=2πa3μT=2\pi\sqrt{\frac{a^3}{\mu}}
    Terza legge: dipende solo da a, non da e.

Esempio svolto

Dati
Raggio geostazionario r = 42 164,17 km (circolare).
Incognita
Il periodo T.
Strategia
Terza legge di Keplero con a = r.
Passaggi
  1. T = 2π √(a³/μ) = 2π √(42164.17³ / 398600.4418)
  2. T = 23,9345 h
Risposta
T = 23,9345 h (23 h 56 min).
Controllo di plausibilità
Pari a un giorno siderale (86 164 s), esattamente ciò che richiede «geostazionaria».
Significato
La legge di Keplero, trovata nel 1619 dai dati dei pianeti, fissa ancora dove sono parcheggiati i satelliti TV e meteo.
Mostra il codice Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
a = 42164.17
T = 2 * math.pi * math.sqrt(a**3 / mu)
print(T / 3600)   # h

Esercizi

  1. Due orbite hanno lo stesso a ma e = 0 ed e = 0,7. Quale ha il periodo più lungo?

    Mostra la soluzione

    Nessuna: T dipende solo da a.

Errore frequente

Usare 24 h per l’orbita geostazionaria. La Terra compie un giro rispetto alle stelle in 23 h 56 min 4 s.

Riferimenti

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.

Il problema dei due corpi e l’equazione dell’orbita

  • Laurea triennale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 30 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Ridurre due corpi a un’equazione relativa; integrarla col calcolo vettoriale per ottenere la conica r(ν); identificare il vettore eccentricità.

Prerequisiti

Calcolo vettoriale (prodotti scalare/vettoriale, doppio prodotto vettoriale), EDO del primo ordine. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Sottraendo le due equazioni del moto resta un’unica EDO per la posizione relativa. Due integrali vettoriali, h ed e, danno tutta la forma dell’orbita senza risolvere nel tempo.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

La Terra e il satellite si attirano a vicenda. Possiamo fingere che la Terra stia ferma e guardare solo il satellite: il percorso è sempre un cerchio, un ovale o una curva che scappa via.

Passo dopo passo

  1. r¨=−μr3r,μ=G(m1+m2)\ddot{\mathbf r}=-\frac{\mu}{r^3}\mathbf r,\qquad \mu=G(m_1+m_2)
    Equazione del moto relativo.
  2. r¨×h=−μr3 r×(r×r˙)=μddt ⁣(rr)\ddot{\mathbf r}\times\mathbf h=-\frac{\mu}{r^3}\,\mathbf r\times(\mathbf r\times\dot{\mathbf r})=\mu\frac{d}{dt}\!\left(\frac{\mathbf r}{r}\right)
    Prodotto vettoriale per h costante e doppio prodotto.
  3. r˙×h−μrr=μ e\dot{\mathbf r}\times\mathbf h-\mu\frac{\mathbf r}{r}=\mu\,\mathbf e
    Integrare una volta: e è un vettore costante diretto al periasse.
  4. r⋅(r˙×h)=h2=μr+μrecos⁡ν  ⇒  r=h2/μ1+ecos⁡ν\mathbf r\cdot(\dot{\mathbf r}\times\mathbf h)=h^2=\mu r+\mu r e\cos\nu\;\Rightarrow\; r=\frac{h^2/\mu}{1+e\cos\nu}
    Prodotto scalare con r: l’equazione della conica.

Esempio svolto

Dati
r = [7000, 1000, 500] km, v = [−1,0, 7,4, 1,0] km/s.
Incognita
h, e e la dimensione a.
Strategia
Usare i due integrali vettoriali h = r × v e μe = v × h − μ r/r, poi l’energia.
Passaggi
  1. |h| = |r × v| = 53398,3 km²/s
  2. |e| = 0,019306
  3. ε = v²/2 − μ/r = -27,850 km²/s²
  4. a = −μ/(2ε) = 7156,15 km
Risposta
Quasi circolare (e = 0,0193) con a = 7156,1 km.
Controllo di plausibilità
Verificare h²/μ = a(1 − e²): i due lati coincidono a meno di arrotondamenti.
Significato
Due vettori conservati danno l’intera forma dell’orbita da una sola misura radar.
Mostra il codice Python
import numpy as np
mu = 398600.4418
r = np.array([7000., 1000., 500.]); v = np.array([-1.0, 7.4, 1.0])
h = np.cross(r, v)
e = np.cross(v, h) / mu - r / np.linalg.norm(r)
eps = v @ v / 2 - mu / np.linalg.norm(r)
print(np.linalg.norm(h), np.linalg.norm(e), -mu / (2 * eps))

Esercizi

  1. Mostra che e < 1 dà un’orbita chiusa ed e > 1 una aperta.

    Mostra la soluzione

    Il denominatore 1 + e cosν resta positivo per ogni ν solo se e < 1; per e > 1 si annulla a cosν = -1/e, quindi r → ∞.

Errore frequente

Dimenticare che μ = G(m₁+m₂). Per un satellite m₂ è trascurabile, non per la coppia Terra–Luna.

Riferimenti

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.

Energia ed equazione vis-viva

  • Corso post-diploma
  • Laurea triennale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 20 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Mostrare che l’energia orbitale specifica si conserva e vale -μ/2a; usare vis-viva per trovare la velocità in ogni punto.

Prerequisiti

Energia cinetica e potenziale; prodotto scalare; la conica r(ν). Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Vis-viva («forza viva») è l’equazione più utile nella progettazione di missioni: lega velocità, distanza e dimensione dell’orbita.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

Salendo una collina rallenti; scendendo acceleri. Un’orbita è uguale: vicino alla Terra vai veloce, lontano vai piano, e l’energia totale resta la stessa.

Passo dopo passo

  1. r˙⋅r¨+μr3 r⋅r˙=0  ⇒  ddt ⁣(v22−μr)=0\dot{\mathbf r}\cdot\ddot{\mathbf r}+\frac{\mu}{r^3}\,\mathbf r\cdot\dot{\mathbf r}=0\;\Rightarrow\;\frac{d}{dt}\!\left(\frac{v^2}{2}-\frac{\mu}{r}\right)=0
    Prodotto scalare dell’equazione del moto con la velocità.
  2. ε=vp22−μrp,rp=a(1−e),vp=hrp\varepsilon=\frac{v_p^2}{2}-\frac{\mu}{r_p},\quad r_p=a(1-e),\quad v_p=\frac{h}{r_p}
    Valutare al periasse, dove v è perpendicolare a r.
  3. ε=−μ2a\varepsilon=-\frac{\mu}{2a}
    Semplificare con h² = μa(1-e²).
  4. v2=μ(2r−1a)v^2=\mu\left(\frac{2}{r}-\frac{1}{a}\right)
    Vis-viva.

Esempio svolto

Dati
Ellisse di trasferimento da r_p = 6678,137 km a r_a = 42 164,17 km.
Incognita
Velocità al perigeo e all’apogeo.
Strategia
a = (r_p + r_a)/2, poi vis-viva a ciascun estremo.
Passaggi
  1. a = 24421,2 km
  2. v_p = √(μ(2/r_p − 1/a)) = 10,1515 km/s
  3. v_a = √(μ(2/r_a − 1/a)) = 1,6078 km/s
Risposta
v_p = 10,151 km/s, v_a = 1,608 km/s.
Controllo di plausibilità
Controllo del momento angolare: r_p v_p = r_a v_a (circa 67 793 km²/s).
Significato
Queste due velocità sono il riferimento delle accensioni di Hohmann.
Mostra il codice Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
rp, ra = RE + 300, 42164.17
a = (rp + ra) / 2
vv = lambda r: math.sqrt(mu * (2/r - 1/a))
print(vv(rp), vv(ra), rp*vv(rp), ra*vv(ra))

Esercizi con correzione automatica

  1. km/s

    Soluzione completa

    v = √(398600,4418 × (2/8000 − 1/10000)) = 7,7324 km/s.

Esercizi

  1. Qual è il segno di ε per una traiettoria di fuga (parabolica)?

    Mostra la soluzione

    Zero (a → ∞). Le orbite legate hanno ε < 0, le iperboli ε > 0.

Errore frequente

Mescolare le unità: con μ in km³/s², r e a vanno in km e v risulta in km/s.

Riferimenti

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.

Elementi orbitali da un vettore di stato

  • Laurea triennale
  • Laurea magistrale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 30 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Convertire posizione e velocità (r, v) nei sei elementi classici a, e, i, Ω, ω, ν con l’algebra lineare.

Prerequisiti

Problema dei due corpi, vettori, quadrante dell’arccos. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Sei numeri fissano un’orbita: dimensione (a), forma (e), inclinazione (i), nodo ascendente (Ω), argomento del periasse (ω) e posizione attuale (ν).

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

Sei numeri sono come l’indirizzo di un’orbita: quanto è grande, quanto è allungata, quanto è inclinata, dove guarda, dov’è il punto più vicino e dove si trova ora il satellite.

Passo dopo passo

  1. h=r×v,n=k^×h,e=v×hμ−rr\mathbf h=\mathbf r\times\mathbf v,\quad \mathbf n=\hat{\mathbf k}\times\mathbf h,\quad \mathbf e=\frac{\mathbf v\times\mathbf h}{\mu}-\frac{\mathbf r}{r}
    Tre vettori chiave.
  2. a=−μ2ε,cos⁡i=hzh,cos⁡Ω=nxn  (ny<0⇒Ω=360∘−Ω)a=-\frac{\mu}{2\varepsilon},\quad \cos i=\frac{h_z}{h},\quad \cos\Omega=\frac{n_x}{n}\;(n_y<0\Rightarrow\Omega=360^\circ-\Omega)
    Dimensione, inclinazione, nodo (con quadrante).
  3. cos⁡ω=n⋅ene  (ez<0⇒360∘−ω),cos⁡ν=e⋅rer  (r⋅v<0⇒360∘−ν)\cos\omega=\frac{\mathbf n\cdot\mathbf e}{ne}\;(e_z<0\Rightarrow 360^\circ-\omega),\quad \cos\nu=\frac{\mathbf e\cdot\mathbf r}{er}\;(\mathbf r\cdot\mathbf v<0\Rightarrow 360^\circ-\nu)
    Periasse e posizione attuale.

Esempio svolto

Dati
r = [7000, 1000, 500] km, v = [−1,0, 7,4, 1,0] km/s.
Incognita
a, e, i, Ω, ω, ν.
Strategia
Costruire h, n, e; leggere ogni angolo con il suo quadrante (Vallado, algoritmo 9).
Passaggi
  1. i = arccos(h_z/h) = 8,585°
  2. Ω = 340,20° (n_y < 0)
  3. ω = 326,44° (e_z < 0)
  4. ν = 61,76° (r·v > 0)
  5. a = 7156,15 km, e = 0,019306
Risposta
a = 7156,1 km, e = 0,0193, i = 8,59°, Ω = 340,2°, ω = 326,4°, ν = 61,8°.
Controllo di plausibilità
Riconvertire gli elementi in r e v restituisce i dati (andata e ritorno).
Significato
Gli elementi sono il modo in cui le orbite vengono pubblicate (es. TLE) e confrontate.
Mostra il codice Python
import numpy as np
mu = 398600.4418
r = np.array([7000., 1000., 500.]); v = np.array([-1.0, 7.4, 1.0])
h = np.cross(r, v); n = np.cross([0, 0, 1], h)
e = np.cross(v, h) / mu - r / np.linalg.norm(r)
i = np.degrees(np.arccos(h[2] / np.linalg.norm(h)))
W = np.degrees(np.arccos(n[0] / np.linalg.norm(n))); W = 360 - W if n[1] < 0 else W
print(i, W)

Esercizi

  1. Perché Ω e ω non sono definiti per un’orbita circolare equatoriale?

    Mostra la soluzione

    n = 0 (nessuna linea dei nodi) ed e = 0 (nessun periasse); si usa la longitudine vera.

Errore frequente

Saltare il controllo del quadrante: arccos restituisce solo 0–180°.

Riferimenti

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.

Equazione di Keplero e Newton–Raphson

  • Laurea triennale
  • Laurea magistrale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 30 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Collegare tempo e posizione con le anomalie media, eccentrica e vera; risolvere l’equazione trascendente con Newton–Raphson.

Prerequisiti

Derivate, serie di Taylor al primo ordine, radianti. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Non esiste una forma chiusa x(t) per un’ellisse. L’equazione di Keplero si risolve numericamente; Newton–Raphson converge quadraticamente da E₀ = M (o M + e per e grande).

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

Alcuni enigmi non si risolvono in un colpo: indovini, guardi quanto sbagli e correggi. Ogni tentativo si avvicina molto di più, come al gioco del caldo e freddo.

Passo dopo passo

  1. M=n(t−tp),n=μ/a3M=n(t-t_p),\qquad n=\sqrt{\mu/a^3}
    L’anomalia media cresce uniformemente.
  2. M=E−esin⁡EM=E-e\sin E
    Equazione di Keplero.
  3. Ek+1=Ek−Ek−esin⁡Ek−M1−ecos⁡EkE_{k+1}=E_k-\frac{E_k-e\sin E_k-M}{1-e\cos E_k}
    Newton–Raphson: f/f′.
  4. tan⁡ν2=1+e1−etan⁡E2\tan\frac{\nu}{2}=\sqrt{\frac{1+e}{1-e}}\tan\frac{E}{2}
    Passare all’anomalia vera.

Esempio svolto

Dati
e = 0,37255, M = 3,6029 rad (stessi dati di Curtis, esempio 3.2; calcolo nostro).
Incognita
L’anomalia eccentrica E entro 10⁻¹⁰ rad.
Strategia
Newton–Raphson su f(E) = E − e sin E − M con f′(E) = 1 − e cos E, partendo da E₀ = M (e ≤ 0,8); fermarsi quando |ΔE| < 10⁻¹⁰.
Passaggi
Tabella delle iterazioni
nE_n (rad)|ΔE|
13,47855373871.24e-01
23,47942201008.68e-04
33,47942204433.44e-08
43,47942204430.00e+00
Risposta
E = 3,479422 rad dopo 4 iterazioni.
Controllo di plausibilità
Sostituire: E − e sin E ridà M = 3,6029 rad. Poiché M > π il corpo ha superato l’apoasse, ed E < M come atteso quando sin E < 0. Curtis riporta E = 3,479 rad.
Significato
L’errore circa si eleva al quadrato a ogni passo (convergenza quadratica): per questo il software di volo risolve l’equazione di Keplero migliaia di volte al secondo.

Provalo: risolutore di Keplero, passo dopo passo

nE_n (rad)|ΔE|
Mostra il codice Python
import math
def kepler_E(M, e, tol=1e-10):
    E = math.pi if e > 0.8 else M
    while True:
        dE = (E - e*math.sin(E) - M) / (1 - e*math.cos(E))
        E -= dE
        print(E, abs(dE))
        if abs(dE) < tol:
            return E
kepler_E(3.6029, 0.37255)

Esercizi con correzione automatica

  1. rad

    Soluzione completa

    Newton–Raphson converge in pochi passi a E = 1,185324 rad.

Esercizi

  1. Perché M ed E devono essere in radianti nell’iterazione?

    Mostra la soluzione

    Perché E ed e sin E devono avere la stessa unità; e sin E è adimensionale (radianti).

Errore frequente

Mescolare gradi e radianti in M = E - e sin E.

Riferimenti

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.

Propagazione numerica con RK4

  • Laurea triennale
  • Laurea magistrale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 35 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Scrivere l’orbita come sistema di EDO del primo ordine; integrarla con Runge–Kutta del quarto ordine; verificare l’accuratezza con la conservazione dell’energia.

Prerequisiti

EDO, serie di Taylor, programmazione di base. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Aggiungendo perturbazioni (J2, resistenza, terzi corpi) non c’è soluzione esatta e si integra. RK4 ha errore locale O(Δt⁵) e globale O(Δt⁴).

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

Un computer sposta il satellite a passettini, come un flip-book: ogni pagina è una frazione di secondo dopo. I passi più furbi (RK4) sbirciano avanti prima di muoversi.

Passo dopo passo

  1. y=[rv],y˙=f(y)=[v−μr/r3]\mathbf y=\begin{bmatrix}\mathbf r\\ \mathbf v\end{bmatrix},\qquad \dot{\mathbf y}=\mathbf f(\mathbf y)=\begin{bmatrix}\mathbf v\\ -\mu\mathbf r/r^3\end{bmatrix}
    L’EDO del secondo ordine diventa un sistema del primo ordine a 6 stati.
  2. k1=f(yn), k2=f(yn+Δt2k1), k3=f(yn+Δt2k2), k4=f(yn+Δt k3)\mathbf k_1=\mathbf f(\mathbf y_n),\ \mathbf k_2=\mathbf f(\mathbf y_n+\tfrac{\Delta t}{2}\mathbf k_1),\ \mathbf k_3=\mathbf f(\mathbf y_n+\tfrac{\Delta t}{2}\mathbf k_2),\ \mathbf k_4=\mathbf f(\mathbf y_n+\Delta t\,\mathbf k_3)
    Quattro valutazioni della pendenza.
  3. yn+1=yn+Δt6(k1+2k2+2k3+k4)\mathbf y_{n+1}=\mathbf y_n+\frac{\Delta t}{6}\left(\mathbf k_1+2\mathbf k_2+2\mathbf k_3+\mathbf k_4\right)
    Media pesata (tipo Simpson).

Esempio svolto

Dati
Stato iniziale dall’esempio di Lambert: r₁ = [7000, 0, 0] km e il suo v₁; 3600 s; 20 000 passi RK4.
Incognita
Posizione finale e distanza dal bersaglio r₂ = [0, 8000, 0] km.
Strategia
Integrare ẏ = f(y) con RK4, Δt = 0,18 s.
Passaggi
  1. v₁ = (4,6069, 5,8532, 0) km/s
  2. Δt = 3600 / 20000 = 0.18 s
  3. |r(3600) − r₂| = 1,7×10⁻¹⁰ km
Risposta
L’orbita arriva al bersaglio entro 1,7×10⁻¹⁰ km.
Controllo di plausibilità
Due metodi indipendenti (Lambert, RK4) concordano: funzionano entrambi.
Significato
Lo stesso integratore, aggiungendo J2 e resistenza a f(y), prevede le orbite reali.
Mostra il codice Python
import numpy as np
mu = 398600.4418
def f(y): r = y[:3]; return np.r_[y[3:], -mu * r / np.linalg.norm(r)**3]
def rk4(y, dt):
    k1 = f(y); k2 = f(y + dt/2*k1); k3 = f(y + dt/2*k2); k4 = f(y + dt*k3)
    return y + dt/6*(k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4)

Esercizi

  1. Dimezzando Δt, di che fattore si riduce circa l’errore globale di RK4?

    Mostra la soluzione

    Circa 2⁴ = 16.

Errore frequente

Fidarsi di un’integrazione lunga senza controllare una grandezza conservata (energia, h). RK4 non è simplettico e deriva lentamente.

Riferimenti

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • MIT OpenCourseWare, 16.346 Astrodynamics (CC BY-NC-SA 4.0).

Trasferimento di Hohmann

  • Corso post-diploma
  • Laurea triennale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 25 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Progettare un trasferimento a due accensioni tra orbite circolari complanari; calcolare ogni Δv e il tempo.

Prerequisiti

Vis-viva, terza legge di Keplero. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Accendere in avanti sull’orbita interna per entrare in un’ellisse tangente all’orbita esterna, attendere mezza orbita, poi riaccendere per circolarizzare.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

Per passare a una corsia più alta su una pista rotonda, acceleri una volta per allargarti, poi di nuovo quando arrivi per restarci.

Passo dopo passo

  1. at=r1+r22a_t=\frac{r_1+r_2}{2}
    L’ellisse di trasferimento tocca entrambi i cerchi.
  2. Δv1=μ(2r1−1at)−μr1\Delta v_1=\sqrt{\mu\left(\frac{2}{r_1}-\frac{1}{a_t}\right)}-\sqrt{\frac{\mu}{r_1}}
    Accensione al perigeo (vis-viva meno circolare).
  3. Δv2=μr2−μ(2r2−1at)\Delta v_2=\sqrt{\frac{\mu}{r_2}}-\sqrt{\mu\left(\frac{2}{r_2}-\frac{1}{a_t}\right)}
    Accensione all’apogeo.
  4. tt=πat3μt_{t}=\pi\sqrt{\frac{a_t^3}{\mu}}
    Metà del periodo dell’orbita di trasferimento.

Esempio svolto

Dati
μ = 398 600,4418 km³/s², partenza: circolare 300 km (r₁ = 6678,1 km), obiettivo: GEO (r₂ = 42164,2 km), stesso piano.
Incognita
Δv₁, Δv₂, Δv totale e tempo di trasferimento.
Strategia
Velocità circolari con v = √(μ/r); sull’ellisse con vis-viva; sottrarre; metà periodo.
Passaggi
  1. a_t = (r₁ + r₂)/2 = 24421,2 km
  2. v_c1 = 7,7258 km/s, v_p = 10,1515 km/s → Δv₁ = 2,4257 km/s
  3. v_a = 1,6078 km/s, v_c2 = 3,0747 km/s → Δv₂ = 1,4668 km/s
  4. t = π√(a_t³/μ) = 18990 s
Risposta
Δv totale = 3,893 km/s; tempo 5,28 h.
Controllo di plausibilità
Coincide con i ≈ 3,9 km/s dei libri. Il periodo dell’ellisse (5,28 h × 2) è tra quelli di LEO e GEO, come deve.
Significato
Lanciare da 28,5° di latitudine aggiunge un cambio di piano; combinato con l’accensione all’apogeo il totale è 4,26 km/s, il budget classico del trasferimento geostazionario.

Provalo: calcolatore di Hohmann

Mostra il codice Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137          # km^3/s^2, km
r1, r2 = RE + 300, 42164.17
at = (r1 + r2) / 2
vv = lambda r, a: math.sqrt(mu * (2/r - 1/a))
dv1 = vv(r1, at) - math.sqrt(mu/r1)
dv2 = math.sqrt(mu/r2) - vv(r2, at)
tof = math.pi * math.sqrt(at**3 / mu)
print(dv1, dv2, dv1 + dv2, tof/3600)   # km/s, km/s, km/s, h

Esercizi con correzione automatica

  1. km/s

    Soluzione completa

    Δv₁ = 0,1608, Δv₂ = 0,1575; totale 0,3183 km/s.

Esercizi

  1. Perché le missioni GEO reali richiedono di più?

    Mostra la soluzione

    I siti di lancio non sono all’equatore: serve anche un cambio di piano (vedi Cambi di piano).

Errore frequente

Sommare le velocità circolari invece delle differenze: Δv è la variazione di velocità a ogni accensione.

Riferimenti

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.
  • NASA, Basics of Space Flight.

Trasferimento bi-ellittico

  • Laurea triennale
  • Laurea magistrale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 20 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Calcolare un trasferimento bi-ellittico a tre accensioni e capire quando batte Hohmann.

Prerequisiti

Trasferimento di Hohmann, vis-viva. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Salire molto lontano fino a r_b, dove le velocità sono minime, poi scendere al bersaglio. Per r₂/r₁ oltre circa 11,94 qualche r_b batte Hohmann; oltre circa 15,58 ogni r_b > r₂ lo batte, al prezzo di un volo molto più lungo.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

A volte la strada lunga costa meno: salire molto in alto dove muoversi è facile, aggiustarsi lassù, poi scendere.

Passo dopo passo

  1. a1=r1+rb2,a2=r2+rb2a_1=\frac{r_1+r_b}{2},\qquad a_2=\frac{r_2+r_b}{2}
    Due ellissi di trasferimento.
  2. Δv=∣vp1−vc1∣+∣va2−va1∣+∣vc2−vp2∣\Delta v=\big|v_{p1}-v_{c1}\big|+\big|v_{a2}-v_{a1}\big|+\big|v_{c2}-v_{p2}\big|
    Accensioni a r₁, r_b e r₂, ciascuna con vis-viva.

Esempio svolto

Dati
r₁ = 6678,137 km, r₂ = 20 r₁, intermedio r_b = 40 r₁.
Incognita
Δv totale bi-ellittico contro Hohmann.
Strategia
Tre accensioni vis-viva a r₁, r_b, r₂; confrontare con Hohmann.
Passaggi
  1. a₁ = (r₁ + r_b)/2, a₂ = (r₂ + r_b)/2
  2. Δv_bi = 4,0609 km/s
  3. Δv_H = 4,1312 km/s
Risposta
Bi-ellittico 4,061 km/s batte Hohmann 4,131 km/s.
Controllo di plausibilità
r₂/r₁ = 20 supera la soglia di 15,58: ogni r_b > r₂ deve vincere, coerente.
Significato
Il risparmio (circa 70 m/s qui) costa un volo molto più lungo: progettare missioni è un compromesso.
Mostra il codice Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
vv = lambda r, a: math.sqrt(mu * (2/r - 1/a)); vc = lambda r: math.sqrt(mu / r)
r1 = RE + 300; r2, rb = 20*r1, 40*r1
a1, a2 = (r1+rb)/2, (r2+rb)/2
dv = (vv(r1,a1)-vc(r1)) + (vv(rb,a2)-vv(rb,a1)) + (vv(r2,a2)-vc(r2))
print(abs(dv))

Esercizi

  1. Da LEO a GEO (r₂/r₁ ≈ 6,3), conviene un bi-ellittico?

    Mostra la soluzione

    No: sotto un rapporto di circa 11,94 Hohmann è sempre più economico.

Errore frequente

Ignorare il tempo di volo: il risparmio bi-ellittico può costare giorni o settimane.

Riferimenti

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.

Cambi di piano

  • Laurea triennale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 20 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Ricavare il Δv del cambio di piano con il teorema del coseno; mostrare perché combinarlo con l’accensione all’apogeo fa risparmiare propellente.

Prerequisiti

Vettori, teorema del coseno, Hohmann. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Ruotare il vettore velocità costa in proporzione alla velocità: i cambi di piano sono più economici dove l’orbita è più lenta.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

Curvare con una bici veloce è difficile; con una lenta è facile. I veicoli inclinano l’orbita dove vanno più piano.

Passo dopo passo

  1. Δv=v12+v22−2v1v2cos⁡Δi\Delta v=\sqrt{v_1^2+v_2^2-2v_1v_2\cos\Delta i}
    Teorema del coseno sui due vettori velocità.
  2. v1=v2=v  ⇒  Δv=2vsin⁡Δi2v_1=v_2=v\;\Rightarrow\;\Delta v=2v\sin\frac{\Delta i}{2}
    Cambio di piano puro a velocità costante.

Esempio svolto

Dati
Inserimento GEO da un’orbita di trasferimento a 28,5°: v_a = 1,6078 km/s, v_GEO = 3,0747 km/s.
Incognita
Δv combinato contro separato.
Strategia
Teorema del coseno sui due vettori velocità.
Passaggi
  1. Δv_comb = √(v_a² + v_GEO² − 2 v_a v_GEO cos 28.5°) = 1,8302 km/s
  2. Δv_sep = (v_GEO − v_a) + 2 v_GEO sin 14.25° = 2,9805 km/s
Risposta
Combinato: 1,830 km/s; separato: 2,980 km/s.
Controllo di plausibilità
L’accensione combinata è minore della somma, come vuole la disuguaglianza triangolare.
Significato
Risparmiare circa 1,15 km/s spiega perché i lanci in GEO combinano sempre la virata con l’accensione all’apogeo.
Mostra il codice Python
import math
va, vg, di = 1.6078, 3.0747, math.radians(28.5)
comb = math.sqrt(va**2 + vg**2 - 2*va*vg*math.cos(di))
sep = (vg - va) + 2*vg*math.sin(di/2)
print(comb, sep)

Esercizi con correzione automatica

  1. km/s

    Soluzione completa

    Δv = 2 × 7,5 × sin 5° = 1,3073 km/s.

Esercizi

  1. Dove è più economico un cambio di piano su un’ellisse?

    Mostra la soluzione

    All’apoasse (velocità minima), e in un nodo.

Errore frequente

Dimenticare che il cambio di piano va fatto dove i due piani si intersecano (un nodo).

Riferimenti

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.

L’equazione del razzo

  • Ragazzi
  • Corso post-diploma
  • Laurea triennale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 15 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Ricavare l’equazione di Tsiolkovsky dalla conservazione della quantità di moto separando le variabili; trasformare un budget di Δv in massa di propellente.

Prerequisiti

Quantità di moto, integrale di 1/m (logaritmo). Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Il Δv è la moneta del volo spaziale. Poiché il razzo porta il proprio propellente, la massa cresce esponenzialmente con il Δv.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

Un razzo spinge materia all’indietro velocissima e questo lo spinge avanti, come un palloncino lasciato andare. Ma deve portarsi tutto dietro, quindi andare più veloce richiede molto più carburante.

Passo dopo passo

  1. m dv=−ve dmm\,dv=-v_e\,dm
    Bilancio della quantità di moto in una breve accensione (senza gravità né resistenza).
  2. ∫0Δvdv=−ve∫m0mfdmm\int_{0}^{\Delta v}dv=-v_e\int_{m_0}^{m_f}\frac{dm}{m}
    Separare le variabili e integrare.
  3. Δv=veln⁡m0mf,ve=Isp g0\Delta v=v_e\ln\frac{m_0}{m_f},\qquad v_e=I_{sp}\,g_0
    Tsiolkovsky; g₀ = 9,80665 m/s².

Esempio svolto

Dati
Δv = 3,8926 km/s (Hohmann LEO→GEO), I_sp = 450 s, g₀ = 9,80665 m/s².
Incognita
Rapporto di massa e frazione di propellente.
Strategia
v_e = I_sp g₀, poi m₀/m_f = exp(Δv/v_e).
Passaggi
  1. v_e = 450 · 9.80665 m/s = 4.413 km/s
  2. m₀/m_f = exp(3,8926 / 4.413) = 2,4159
  3. 1 − 1/2,4159 = 58,6 %
Risposta
m₀/m_f = 2,416; il 58,6% della massa iniziale è propellente.
Controllo di plausibilità
Δv è minore di v_e, quindi il rapporto deve stare sotto e ≈ 2,72: è così.
Significato
Più di metà dello stadio è propellente solo per andare da LEO a GEO: per questo gli stadi superiori usano motori ad alto I_sp.
Mostra il codice Python
import math
dv, isp, g0 = 3.8926, 450, 9.80665e-3   # km/s, s, km/s^2
mr = math.exp(dv / (isp * g0))
print(mr, 1 - 1/mr)

Esercizi con correzione automatica

    Soluzione completa

    m₀/m_f = exp(2/2,942) = 1,974.

Esercizi

  1. Raddoppiando il Δv a I_sp fisso, cosa succede al rapporto di massa?

    Mostra la soluzione

    Si eleva al quadrato, non raddoppia: e^(2x) = (e^x)².

Errore frequente

Usare g in quota al posto di g₀. In I_sp, g₀ è una costante fissa, 9,80665 m/s².

Riferimenti

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • NASA, Basics of Space Flight.

Perturbazioni J2 e orbite eliosincrone

  • Laurea magistrale

Percorso: meccanica orbitale · Circa 40 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Modellare il rigonfiamento equatoriale con il termine J2 del potenziale; ricavare la deriva secolare del nodo mediando; progettare un’orbita eliosincrona.

Prerequisiti

Gradiente di un potenziale, polinomi di Legendre, equazioni planetarie di Lagrange (enunciato). Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

La massa in più all’equatore tira l’orbita e fa precedere il suo piano. Mediando su un’orbita gli effetti a corto periodo si annullano e resta una deriva costante di Ω e ω.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

La Terra è un po’ panciuta in mezzo. Quel rigonfiamento tira i satelliti e fa ruotare piano le loro orbite, e gli ingegneri lo usano per tenere alcuni satelliti al passo col Sole.

Passo dopo passo

  1. U=−μr[1−J2(R⊕r)23sin⁡2ϕ−12]U=-\frac{\mu}{r}\left[1-J_2\left(\frac{R_\oplus}{r}\right)^2\frac{3\sin^2\phi-1}{2}\right]
    Potenziale con il termine zonale J2 (φ = latitudine).
  2. Ω˙=−32 n J2(R⊕p)2cos⁡i,p=a(1−e2)\dot\Omega=-\frac{3}{2}\,n\,J_2\left(\frac{R_\oplus}{p}\right)^2\cos i,\qquad p=a(1-e^2)
    Velocità secolare del nodo dopo la media (equazioni di Lagrange).
  3. Ω˙SSO=360∘365.2422 d≈0.9856∘/d  ⇒  cos⁡i=Ω˙SSO−32nJ2(R⊕/p)2\dot\Omega_{SSO}=\frac{360^\circ}{365.2422\ \text{d}}\approx 0.9856^\circ/\text{d}\;\Rightarrow\;\cos i=\frac{\dot\Omega_{SSO}}{-\tfrac32 nJ_2(R_\oplus/p)^2}
    Eliosincrona: il nodo segue il Sole una volta all’anno.

Esempio svolto

Dati
Orbita circolare a 700 km; J2 = 1,08263×10⁻³; velocità del nodo obiettivo 360°/365,2422 g.
Incognita
L’inclinazione eliosincrona i.
Strategia
Uguagliare la velocità secolare del nodo all’obiettivo e risolvere per cos i.
Passaggi
  1. a = 7078.137 km, n = √(μ/a³)
  2. cos i = −Ω̇_SSO / (1.5 n J2 (R⊕/a)²)
  3. i = 98,188°
Risposta
i = 98,19°.
Controllo di plausibilità
Le missioni eliosincrone pubblicate vicino a 700 km volano a circa 98,2°: coincide.
Significato
Una piccola perturbazione naturale, usata apposta, dà gratis illuminazione costante ai satelliti di immagini.
Mostra il codice Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
J2 = 1.08262668e-3
a = RE + 700; n = math.sqrt(mu / a**3)
target = 2*math.pi / (365.2422*86400)
print(math.degrees(math.acos(-target / (1.5*n*J2*(RE/a)**2))))

Esercizi con correzione automatica

  1. °

    Soluzione completa

    cos i è negativo e i = 98,60°, poco più che a 700 km.

Esercizi

  1. Perché le orbite eliosincrone sono leggermente retrograde (i > 90°)?

    Mostra la soluzione

    Il nodo deve muoversi verso est (velocità positiva); la formula ha -cos i, quindi cos i < 0.

Errore frequente

Usare il giorno solare: il nodo deve ruotare di 360° per anno tropico, circa 0,9856°/giorno.

Riferimenti

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • N. K. Pavlis et al., "The development and evaluation of the Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008)", J. Geophys. Res. 117, B04406 (2012). doi:10.1029/2011JB008916
  • R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.

Il problema di Lambert

  • Laurea magistrale
  • Dottorato / ricerca

Percorso: meccanica orbitale · Circa 60 min · Numeri verificati in fase di generazione:

Saprai

Date due posizioni e un tempo di volo, trovare l’orbita che le collega con variabili universali e ricerca di radici; verificare per propagazione numerica; conoscere la letteratura di ricerca.

Prerequisiti

Variabili universali, funzioni di Stumpff, ricerca di radici (bisezione, Newton, Halley), RK4. Le orbite spiegate

Prima l’intuizione

Il problema di Lambert è il cuore del rendezvous, del puntamento e dei grafici interplanetari «porkchop». È un problema ai limiti in due punti; il teorema di Lambert dice che il tempo di volo dipende solo da a, r₁ + r₂ e dalla corda c.

🧒 Spiegamelo come se avessi 10 anni

Vuoi lanciare una palla da qui a lì e farla arrivare esattamente in un’ora. Il problema di Lambert trova il lancio esatto.

Passo dopo passo

  1. A=sin⁡Δνr1r21−cos⁡Δν,y(z)=r1+r2+A zS(z)−1C(z)A=\sin\Delta\nu\sqrt{\frac{r_1r_2}{1-\cos\Delta\nu}},\qquad y(z)=r_1+r_2+A\,\frac{zS(z)-1}{\sqrt{C(z)}}
    Costante geometrica A e ausiliaria y(z) (Stumpff C, S).
  2. μ Δt=(yC)3/2S+Ay\sqrt{\mu}\,\Delta t=\left(\frac{y}{C}\right)^{3/2}S+A\sqrt{y}
    Equazione del tempo di volo: risolvere in z con ricerca di radici.
  3. f=1−yr1,g=Ayμ,g˙=1−yr2,v1=r2−fr1g,v2=g˙ r2−r1gf=1-\frac{y}{r_1},\quad g=A\sqrt{\frac{y}{\mu}},\quad \dot g=1-\frac{y}{r_2},\quad \mathbf v_1=\frac{\mathbf r_2-f\mathbf r_1}{g},\quad \mathbf v_2=\frac{\dot g\,\mathbf r_2-\mathbf r_1}{g}
    I coefficienti di Lagrange danno le velocità.

Esempio svolto

Dati
r₁ = [7000, 0, 0] km, r₂ = [0, 8000, 0] km, Δt = 3600 s, progrado.
Incognita
v₁ e v₂.
Strategia
Equazione del tempo di volo in variabili universali; z per bisezione; f, g, ġ di Lagrange danno le velocità (Curtis, algoritmo 5.2).
Passaggi
  1. Δν = 90°, A = √(r₁r₂)
  2. v₁ = (4,6069, 5,8532, 0) km/s
  3. v₂ = (-5,1216, -3,8753, 0) km/s
  4. RK4 check: 1,7×10⁻¹⁰ km
Risposta
v₁ = (4,607; 5,853; 0) km/s; v₂ = (-5,122; -3,875; 0) km/s.
Controllo di plausibilità
Energia e momento angolare coincidono ai due estremi, e RK4 da (r₁, v₁) colpisce r₂.
Significato
Ripetuto su una griglia di date di partenza e arrivo, dà i grafici «porkchop» usati per pianificare le missioni su Marte.
Mostra il codice Python
# universal-variable Lambert (Curtis Alg. 5.2): see scripts/learn_calc.py lambert()
from learn_calc import lambert, propagate
v1, v2 = lambert([7000, 0, 0], [0, 8000, 0], 3600)
print(v1, v2)

Esercizi

  1. Ricerca: cosa cambia Izzo (2015) rispetto alle variabili universali?

    Mostra la soluzione

    Una sola variabile adimensionale x con una buona stima iniziale e iterazioni di Householder (terzo ordine), che gestisce in modo robusto i casi multi-rivoluzione con pochissime iterazioni.

Errore frequente

Scegliere il verso sbagliato: Δν e 360° - Δν danno due orbite diverse.

Riferimenti

  • D. Izzo, "Revisiting Lambert’s problem", Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 121, 1–15 (2015). doi:10.1007/s10569-014-9587-y
  • R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.
  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.

Verifica la comprensione

Raddoppiare il raggio dell’orbita rende la velocità circolare…

Dove è più economico un cambio di piano su un’ellisse?

Quale anomalia cresce uniformemente nel tempo?

Approfondisci

Poi: i percorsi di ingegneria aeronautica e fisica (in arrivo), gli algoritmi di Vallado e il risolutore di Lambert di Izzo per la ricerca.

Per insegnanti e docenti

Uso suggerito: una lezione di 50 minuti ogni due sezioni. Percorso triennale: circolare → Keplero → vis-viva → Hohmann → equazione del razzo, con l’Orbit Lab come dimostrazione dell’esempio di Hohmann. Percorso magistrale: elementi → equazione di Keplero → RK4 → J2 → Lambert (gli estratti Python come esercitazioni). Ogni risposta numerica è calcolata dallo script di generazione, quindi gli esercizi fungono da chiave delle risposte. Allineato ai temi di MIT OCW 16.346.

Riferimenti

Aiuta / Dona