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Astronomia

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BREVE STORIA DEL PROGRAMMA SPACE SHUTTLE
di Fabio Pacucci

Il programma Space Shuttle, o, come più propriamente viene definito, il programma STS (Space Transportation System) è il più lungo e complesso mai intrapreso dall’agenzia spaziale americana. Ha richiesto il lavoro, le idee, il coraggio di decine di migliaia di uomini in un arco di tempo di circa un trentennio… e ancora non siamo in grado di vederne la fine, nel bene e nel male.

Nonostante i suoi grandi difetti e la sua elevata pericolosità, che si è rivelata mortale in due casi, lo Space Shuttle è l’unico sistema di lancio al mondo quasi completamente riutilizzabile, che parte come un razzo e atterra come un aliante e capace di portare in orbita contemporaneamente un equipaggio di sette astronauti e un carico utile di circa venti tonnellate. Si può dire che il programma Space Shuttle fu un vero e proprio miracolo del “sapersi arrangiare”.

Dopo la chiusura del programma Apollo, la NASA era orientata verso la costruzione di una stazione spaziale orbitante attorno alla Terra e abitata permanentemente da dodici astronauti. I progetti prevedevano anche la costruzione di habitat sulla Luna, come base di lancio fondamentale per le successive missioni umane verso Marte. Successivamente si sarebbe sviluppato un velivolo, lo Space Shuttle (il “traghetto spaziale”) che avrebbe dovuto permettere facili ed economiche comunicazioni fra Terra e stazioni spaziali. Poiché le risorse economiche erano poche e i lanci, nelle previsioni NASA, avrebbero dovuto essere molto frequenti, si scelse di sviluppare un sistema completamente riutilizzabile. Infatti i vecchi vettori Saturn V (il cui lancio costava qualcosa come 431 milioni di dollari in valuta della fine degli anni Sessanta) erano completamente a perdere, nel senso che l’intero vettore, compresa la capsula Apollo, non poteva essere riutilizzato per un successivo lancio. Per ovviare a questo “attentato economico” nacque lo Space Shuttle.

Tuttavia la politica americana non era interessata ad altre avventure quali lo sbarco su Marte, quindi il progetto stazione spaziale venne rinviato a data da destinarsi e la produzione di altri vettori Saturn V cancellata definitivamente. L’unico programma possibile da intraprendere era proprio lo Space Transportation System. Tuttavia era implicito un problema! Infatti lo Space Shuttle doveva servire per traghettare astronauti dalla Terra alla stazione spaziale. Ma quest’ultima era sparita fra le cifre del bilancio USA… La NASA dovette trovare un altro buon motivo per sviluppare il suo Space Shuttle. Le trattative, durate tre anni, che portarono a un compromesso fra NASA, Dipartimento della Difesa e Congresso, influenzarono pesantemente, nel bene e nel male, il programma Shuttle.

La NASA propose di utilizzare lo Space Shuttle come cargo, a basso costo, per portare in orbita satelliti commerciali e militari (si ipotizzava il lancio di 50 missioni Shuttle all’anno). Il Congresso accettò la proposta, stanziando 5 miliardi di dollari per sviluppare il programma. Tuttavia la NASA dovette sottostare alle direttive del Dipartimento della Difesa: lo Shuttle, per missioni particolarmente delicate, avrebbe dovuto decollare e atterrare in una base militare nella costa occidentale dopo una sola orbita polare. A causa della rotazione terrestre, lo Shuttle una volta rientrato in atmosfera avrebbe dovuto compiere delle manovre per rientrare alla stessa base da cui era partito: per questo motivo venne dotati di grandi ali a delta. E’ in questo modo che nacquero, una dopo l’altra, le peculiarità dello Space Shuttle, che ne fanno l’astronave più “assurda” e, contemporaneamente, meravigliosa di tutti i tempi.

Lo Space Shuttle è un velivolo strano, ma è un vero e proprio miracolo della specie umana in quanto la NASA seppe dare alla luce una astronave che rappresentava la punta di diamante dell’ingegneria degli anni Settanta-Ottanta e che era, obiettivamente, quanto di meglio potesse fare a causa dei tagli al bilancio e delle pressioni da parte dei militari. Il programma STS avrebbe dovuto essere progressivamente sviluppato, ma ciò non è mai avvenuto.

Verso la fine degli anni Settanta il primo prototipo dello Space Shuttle, l’Enterprise, era pronto: esso, pur non avendo mai compiuto alcuna missione in orbita, servì per i test di volo. Successivamente vennero sviluppati quattro Space Shuttle: il Columbia, il Challenger, l’Atlantis e il Discovery. Dopo la distruzione del Challenger venne costruito l’Endeavour, il più nuovo della flotta.

La prima missione Space Shuttle, la STS-1, decollò da Cape Canaveral il 12 aprile del 1981.


Decollo della missione STS-1

I due astronauti, Young e Crippen, compirono un volo breve, che però rappresenta una pietra miliare nella storia dell’astronautica. Il lancio di uno Space Shuttle non era mai stato testato e i due astronauti si ritrovarono ai comandi di un’astronave totalmente nuova, che avrebbe potuto mostrare delle reazioni imprevedibili. Le vite dei due erano nelle mani dei miliardi di calcoli effettuati dagli ingegneri nell’arco degli ultimi 10 anni. Young e Crippen seppero tenere a bada l’astronave che viene simpaticamente definita il “mattone volante”. Tutto andò nel migliore dei modi. Sull’onda del successo, la NASA premette sull’acceleratore, dichiarando lo Space Shuttle operativo e arrivando a concludere nel solo 1985 ben 9 missioni, chiudendo molto spesso gli occhi davanti a delle evidenti violazioni delle misure di sicurezza.

Lo Space Shuttle era un sistema fragile, ormai sull’orlo della rottura.

Il filo si spezzò nel primo mese del 1986 con l’esplosione in volo dello Space Shuttle Challenger e la morte dell’intero equipaggio. Dopo questo gravissimo incidente ci vollero 32 mesi per vedere uno Space Shuttle solcare nuovamente il cielo. Ma il programma non era più lo stesso: la navetta non aveva più l’autorizzazione a trasportare satelliti commerciali o militari, il numero dei lanci venne ridimensionato drasticamente. Lo Space Shuttle è stato impiegato principalmente per la costruzione della Stazione Spaziale Internazionale e per missioni di riparazione in orbita: questo fino all’incidente dello Space Shuttle Columbia, il 1° febbraio 2003.

COME PUO’ UN “PALAZZO” VOLARE NEL CIELO?

La progettazione di un propulsore per usi spaziali è di una difficoltà difficilmente immaginabile e il controllo dell’enorme energia da esso sviluppata rende le imprese spaziali al limite delle possibilità umane. Per andare nello spazio, che inizia convenzionalmente a una altitudine di 100 km, sono necessarie forze spaventose, schermature dalle impressionanti escursioni termiche, dalle radiazioni… ma l’elemento essenziale di un volo spaziale pilotato era e resta il coraggio e la passione dell’uomo.

Per assurdo, nonostante i propulsori a razzo siano i più complessi esistenti, il loro funzionamento è, nei caratteri generali, estremamente semplice.

Un motore a razzo è essenzialmente una macchina che converte l’energia chimica dei propellenti direttamente in energia cinetica. Non vi sono parti mobili come nei motori delle auto per questo il loro rendimento è estremamente elevato.

Il propulsore a razzo sfrutta, similmente ai motori a reazione, la terza legge della dinamica, ovvero il principio di azione-reazione: “ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria”.

Un motore a razzo funziona esattamente come un palloncino dal quale viene fatta evacuare l’aria. Inizialmente noi immettiamo l’aria all’interno del pallone e, se non ci sono fori, la pressione che si genera all’interno agisce su ogni punto della struttura in maniera uguale. Se apriamo un foro nella parete, la pressione continuerò ad agire indisturbata su tutta la superficie, ma nel punto in cui abbiamo praticato il foro l’aria inizierà ad uscire in quanto la pressione non è più bilanciata dalle pareti. La pressione applicata al palloncino nel punto opposto al foro non è più controbilanciata e questo causa il movimento del pallone nel verso opposto a quello in cui è stato aperto il foro.

Tuttavia un palloncino non è un razzo e non arriverà mai nello spazio.

Questo perché le caratteristiche di un propulsore a razzo sono: la capacità di generare enormi spinte per un tempo prolungato e la capacità di controllare l’energia sprigionata.

Descrivendo il moto di un razzo tramite il principio di conservazione della quantità di moto (la quantità di moto del sistema razzo+gas in espansione si conserva) è possibile ricavare l’espressione della spinta di un motore a razzo. La spinta è direttamente proporzionale essenzialmente alla velocità dei gas di scarico. E tale velocità aumenta all’aumentare della temperatura dei gas e al diminuire del peso molecolare del gas stesso. In un propulsore a razzo in funzione avviene essenzialmente una continua esplosione. Il motore fa esplodere in maniera progressiva la grande quantità di propellente contenuta nei serbatoi. Tale esplosione provoca l’espansione dei gas derivanti dalla combustione i quali, tramite delle strutture che ora vedremo, vengono fatte evacuare dal razzo. La combustione dei propellenti è in grado di generare enormi quantitativi di gas di scarico a elevatissima temperatura (e quindi a grandi velocità) e rappresenta l’unico sistema che permette di generare spinte elevate. Il vero segreto dei motori a razzo è l’enorme volume di gas generati a temperatura elevatissima (nei motori dello Space Shuttle superano i 3000°C).

Restando sempre nel campo dei reattori chimici, esistono due tipologie molto differenti di motori a razzo: i motori a propellente solido e i motori a propellente liquido. In entrambe le tipologie ritroviamo un elemento di fondamentale importanza per ogni tipo di razzo: l’ugello di scarico.

L’ugello ha la fondamentale funzione di aumentare la velocità dei gas di scarico e indirizzarli verso una precisa direzione, controllando in tal modo la spinta del propulsore. L’ugello è una struttura approssimativamente a forma di ogiva, apparentemente facile da realizzare. Invece la sua apparente semplicità nasconde calcoli estremamente approfonditi. Il tipo di ugello più comune è quello di De Laval, dal nome dello scienziato che ne teorizzò la forma. Esso presenta una struttura convergente-divergente: i gas di scarico che si apprestano ad uscire dal razzo vengono dapprima compressi nella sezione convergente per poi esplodere, a causa dell’elevatissima pressione generata, nella sezione divergente. Questo permette di aumentare la spinta del propulsore.

I motori a propellente solido sono più semplici dal punto di vista progettuale (sono paragonabili ai fuochi d’artificio) e consistono in un grano di propellente a stato solido inserito in un tubo cilindrico. Una carica pirotecnica provoca l’innesco del motore, che brucia progressivamente il grano di propellente.

I motori a combustibile liquido richiedono una progettazione molto più accurata e complessa. Necessitano di due serbatoi distinti per il combustibile e per il comburente e di enormi pompe che trasportino diverse tonnellate di propellente al secondo verso la camera di combustione. In questa sezione del razzo avviene l’incontro fra questi due elementi che, innescati, esplodono, formando una enorme massa di gas che viene convogliata verso l’ugello.

Lasciando da parte la difficoltà di progettazione, esiste una differenza fondamentale fra questi due tipi di motori: i propulsori a stato solido, una volta innescati, non possono in alcun modo essere spenti fino all’esaurimento del propellente. Invece è possibile spegnere i motori a stato liquido (o anche aumentarne o diminuirne la spinta) semplicemente modificando il flusso di propellente verso la camera di combustione.

E’ importantissimo avere bene in mente la funzione fondamentale di un razzo: trasportare fuori dall’atmosfera un carico utile. Infatti il peso che un razzo riesce a portare fuori dall’atmosfera è indice della potenza del propulsore stesso. Per esempio il Saturn V poteva trasportare un payload di 118 tonnellate in orbita terrestre e di 47 tonnellate in orbita lunare, generando un spinta alla partenza di quasi 34 milioni di Newton (quattro razzi di questo tipo potrebbero tenere sospesa per aria la portaerei Garibaldi).

Ovviamente affinchè un razzo raggiunga l’orbita è necessaria una spinta molto maggiore del peso del missile stesso (che tra l’altro decresce a causa del consumo di propellente): per esempio il complesso dello Space Shuttle pesa all’incirca 1500 tonnellate alla partenza, mentre i motori generano una spinta superiore alle 3000 tonnellate.


Ecco un semplice schema per confrontare i due tipi di endoreattori chimici. In alto un razzo a propellente solido: si vede il grano di propellente (celeste), la carica di accensione (blu), la zona di espansione dei gas combusti (sfumature di rosso) e l’ugello (nero). In basso un razzo a propellente liquido: si notano i due serbatoi separati di combustibile e comburente (rosso e celeste). I propellenti vengono convogliati in dei condotti (grigi) attraverso delle turbo pompe (in verde la turbina e in blu le pompe). L’iniettore (struttura colorata con sfumature rosso-celesti) vaporizza i due propellenti e ne permette l’unione. A questo punto la miscela esplosiva viene convogliata nella camera di combustione (sfumature rosse)… per essere sparata (finalmente) all’esterno! Copyright © Fabio Pacucci

Essenzialmente un motore a razzo potrebbe essere costituito solo dai propellenti e dall’ugello. Se invece abbiamo anche delle pretese di affidabilità e precisione (e i voli spaziali le richiedono entrambi ai massimi livelli), dobbiamo servirci anche di numerosissimi sottosistemi. Inoltre, questioni di sicurezza richiedono che ogni sistema sia almeno replicato all’interno di un razzo (secondo il principio della ridondanza). Come dicevamo, una caratteristica fondamentale dei motori a razzo è il controllo dell’enorme energia sprigionata. Di questo si occupa il sistema di guida, uno dei più importanti. I razzi sono solitamente guidati indirizzando il getto dei motori tramite gli ugelli, montati su delle sospensioni cardaniche che ne permettono l’orientamento. Lo Space Shuttle, una volta rientrato in atmosfera, si muove grazie alle superfici aerodinamiche, come un normale aereo. Questo porta a muovere il missile in rollio, beccheggio e imbardata, cioè i tre angoli fondamentali con i quali si controlla il razzo. Poi ci sono i sistemi di telecomunicazioni, di raffreddamento, di allarme, i sistemi elettrici, i sistemi idraulici. Tutti i sistemi sono controllati migliaia di volte al secondo dai computer della navetta… è tutto questo che rende lo Space Shuttle la macchina più complessa mai costruita.

FACCIAMO “A PEZZI” LO SPACE SHUTTLE…

Ogni missione dello Space Shuttle è scandita da migliaia, addirittura milioni di operazioni. Le splendide immagini che ci giungono dal centro spaziale permettono di cogliere solo la punta dell’iceberg dell’enorme macchina organizzativa e delle procedure che rendono ogni lancio un vero e proprio miracolo della specie umana. Iniziamo ora ad addentrarci nel complesso mondo tecnico che governa ogni lancio dello Space Shuttle. Per avere una minima percezione della complessità di questa astronave non è nemmeno sufficiente dire che contiene circa 370 km di cavi ed è composta da circa 2 milioni e mezzo di componenti.

Per far questo nel modo più semplice e sintetico possibile, dividiamo schematicamente la navetta spaziale in tre parti principali:

- L’orbiter

- I booster

- Il serbatoio esterno


Questa immagine mostra chiaramente tutte le parti dello Space Shuttle descritte nel testo.
Al centro troviamo l'orbiter. Ai lati vediamo i boosters, mentre al centro, dietro, l'enorme serbatoio esterno.

Copyright © NASA


L’orbiter

L’orbiter è l’oggetto che di solito, ed erroneamente, si designa con il nome di Space Shuttle. Iniziamo col precisare che per Space Shuttle si intende l’unione dei tre componenti elencati qui sopra. Invece l’orbiter è la navetta vera e propria, un aereo dalla linea piuttosto slanciata che contiene tutto il necessario per la missione in questione, compresi gli astronauti.

L’orbiter è lungo 37 m e alto 14 m. Ha una apertura alare di 23 m e un peso di circa 90 tonnellate (senza considerare il payload).

La parte posteriore è dominata dai tre motori principali, gli SSME (Space Shuttle Main Engines). Questi propulsori nei primi due minuti dopo il lancio accelerano lo Space Shuttle, coadiuvati dai due boosters, erogando circa il 20% della spinta. Dopo il distacco dei vettori laterali, che avviene intorno a T+2 minuti, gli SSME forniscono la totalità della spinta necessaria a raggiungere l’orbita. Il propellente necessario al funzionamento dei motori principali non è contenuto nell’orbiter, bensì nel grande serbatoio esterno. Un condotto, situato nella parte inferiore della navetta, rifornisce gli SSME con circa mezza tonnellata di propellente al secondo.

Proseguendo la descrizione della navetta, incontriamo i motori OMS (Orbital Maneuvering System). Questo complesso sistema è composto da due motori che si vedono in rilievo ai lati dei principali. I motori OMS sono utilizzati per le manovre di inserzione, correzione e uscita dall’orbita terrestre. Non hanno una spinta molto elevata, circa 5 tonnellate-forza, e sono utilizzati per manovre di precisione. Lo Space Shuttle è dotato di un ulteriore sistema di propulsione: il Reaction Control System (RCS) costituito da 44 propulsori, dalla spinta decisamente debole, posizionati in maniera simmetrica su tutta la superficie della navetta. Il sistema RCS è utilizzato per controllare l’assetto in rollio, beccheggio e imbardata dello Space Shuttle durante la permanenza in orbita, quando, per la mancanza di aria, è impossibile utilizzare le superfici aerodinamiche.

Proseguendo verso la parte anteriore della navetta si entra nel cosiddetto “cargo bay”, la stiva. Le sue dimensioni sono 18X5 m, quindi è in grado di trasportare carichi della grandezza di uno scuolabus e dalla massa variabile fra 17 e 25 tonnellate (in funzione dell’orbita che la navetta deve raggiungere).

Uno fra i più famosi inquilini di questo vano carico è stato il Telescopio Spaziale Hubble (HST).


Ecco l’orbiter dello Space Shuttle Columbia che si prepara all’atterraggio. Copyright © NASA

Sempre in questa parte della navetta sono presenti i sistemi che permettono agli astronauti di effettuare le “passeggiate spaziali” (EVA, Extra Veicular Activity) e il sistema di attracco PMA2 alla Stazione Spaziale. All’interno della zona cargo sono presenti anche i radiatori della navetta, che al momento dell’arrivo in orbita sono aperti per evacuare l’enorme calore accumulato durante il lancio.

La zona dell’orbiter destinata ad ospitare i 7 astronauti è suddivisa in due piani: il ponte di volo e il ponte centrale. Nel ponte di volo è presente la cabina di pilotaggio, dove durante le procedure di lancio e rientro sono seduti il comandante (a sinistra), il pilota, l’ingegnere di volo e uno specialista di missione.

Invece nel ponte centrale vi sono diverse aeree destinate alla vita a bordo della navetta: laboratori, un refettorio, il bagno, le “camere da letto” e un portellone per uscire dalla navetta, anche per operazioni in orbita durante alcune missioni. Lo spazio abitabile dello Space Shuttle è equivalente grosso modo a quello di un grande furgone, eppure contiene moltissimi elementi. Questo è possibile perché, in condizioni di microgravità, i concetti di “sopra” e “sotto” sono assolutamente relativi, quindi nell’orbiter ogni centimetro quadrato di spazio è utilizzato, anche in quello che noi, comunemente, chiameremmo “soffitto”

L’orbiter, durante il rientro, è sottoposto a un pesante surriscaldamento a causa dell’attrito aerodinamico che si sviluppa nell’attraversare ad altissima velocità l’atmosfera. E’ quindi necessario proteggere la sottile struttura di alluminio della navetta dalle alte temperature, che possono raggiungere anche i 1650°C, ma anche dalle temperature estremamente basse dello spazio che raggiungono i -270°C.

Questa funzione è svolta dal cosiddetto TPS, il Thermal Protection System. Le diverse strutture che compongono la navetta sono sottoposte a surriscaldamenti molto differenti. Le aree più a rischio sono il muso e il bordo di attacco delle ali. Entrambe queste aree sono completamente ricoperte da mattonelle di un particolare materiale nero, il RCC, che assomiglia molto alle fibre di vetro, cioè diversi strati di grafite modellata ad elevatissima temperatura. Le altre piastrelle dello scudo termico sono costituite da fibre silicee, cioè hanno una composizione simile alla sabbia.

In tutto si contano circa 31.000 piastrelle che costituiscono lo scudo termico.

I boosters

Un’altra parte fondamentale dello Space Shuttle è costituita da due razzi vettori laterali, i più potenti razzi a combustibile solido che siano mai stati costruiti. I due motori, chiamati SRB (cioè Solid Rocket Boosters), sono lunghi 45 metri e hanno un diametro di 4 metri. In realtà, pur sembrando meno massicci dell’orbiter, pesano molto di più, quasi come cinque navette messe assieme (570 tonnellate al decollo).


Bellissima immagine che mostra i due booster in azione. Copyright © NASA

I due booster forniscono, durante i primi due minuti dal lancio, una spinta di circa 1500 tonnellate ciascuno. Ogni SRB è costituito da 11 sezioni, unite da particolari giunture circolari, i cosiddetti O-rings. Quando la spinta dei due SRB si esaurisce, il computer comanda il loro immediato distacco dallo Space Shuttle. I due booster sono dotati di paracadute, quindi vengono fatti ammarare nell’Oceano Atlantico per essere riutilizzati.

Il serbatoio esterno

L’ultima parte costituente lo Space Shuttle è il grande serbatoio esterno (External Tank, ET), lungo 47 metri e con un diametro di ben 8 metri e mezzo. Al momento del decollo pesa la bellezza di 756 tonnellate e contiene 1.450.000 litri di idrogeno liquido e 541.000 litri di ossigeno liquido. Il serbatoio esterno è l’unico elemento a perdere dello Space Shuttle. Infatti esso accompagna la navetta, rifornendo i suoi motori principali, durante tutta la vertiginosa salita verso le stelle (che dura circa 9 minuti e mezzo). Quindi, esaurito il propellente, viene distaccato, bruciandosi durante il rientro in atmosfera (anche se manca la velocità orbitale di pochissimo).

L’idrogeno e l’ossigeno sono dei propellenti criogenici, cioè devono essere mantenuti a temperature estremamente basse (rispettivamente a circa -252°C e -182°C) affinché si mantengano allo stato liquido. Affinché ciò sia possibile è necessario isolare termicamente il serbatoio esterno dalle elevate temperature ambientali e, soprattutto, del lancio. Per far questo è utilizzata una speciale schiuma isolante che viene applicata sulle pareti di alluminio del serbatoio esterno.

Nonostante l’ET sembri una struttura molto semplice, in realtà è una vera e propria sfida ingegneristica. Il serbatoio esterno ha una importantissima funzione portante per l’intera struttura dello Space Shuttle. Infatti sia i motori SRB, sia la navetta sono saldamente collegate al serbatoio esterno. Tuttavia quest’ultimo non possiede una propulsione propria, quindi i giunti di collegamento con le altri costituenti auto-propulse dello Space Shuttle devono sostenere la spinta generata da tutti i motori in funzione.

IL “LIFTOFF!”

Una missione dello Space Shuttle è costituita da 3 momenti: il lancio (“liftoff”), la permanenza in orbita (“orbiting”) e l’uscita dall’orbita (“de-orbiting”) con successivo atterraggio.

Non è possibile saltare una fase e la cosa più assurda è che ognuna delle milioni di operazioni che costituiscono una missione Space Shuttle deve essere portata a termine con assoluto successo. Lo Space Shuttle non perdona.

Il momento più emozionante della missione è senza dubbio il decollo, la straziante lotta dei motori contro la forza di gravità. Vediamo come si arriva a questa fase.

Il decollo di uno Space Shuttle è controllato quasi interamente dal computer: gli astronauti possono intervenire in maniera molto marginale, né sarebbero umanamente in grado di effettuare le migliaia di operazioni richieste.

Lo Space Shuttle viene assemblato nel VAB (Vehicle Assembly Building), l’edificio più grande al mondo in termini di volume libero interno, eretto per assemblare le astronavi. Una volta assemblate le varie parti appena viste, lo Space Shuttle viene poggiato, tramite i due booster, su una grande piattaforma semovente, il cosiddetto crawler. Questa struttura, viaggiando alla fantastica velocità di 3 km/h, raggiunge la rampa di lancio in circa 7 ore. Una qualsiasi missione rientra in una “finestra di lancio” ben precisa: si chiama così il periodo di tempo in cui sussistono le condizioni orbitali idonee alla missione.


Ecco lo Space Shuttle che esce dal VAB sopra l'enorme cingolato. Copyright © NASA


I
l “Countdown clock”, cioè il grande orologio digitale che scandisce le varie fasi del conto alla rovescia, inizia contare esattamente 43 ore prima del lancio

Le procedure eseguite durante il countdown cadono sotto la responsabilità del Centro di Controllo del Kennedy Space Center a Cape Canaveral, tutte le altre fasi fino all’atterraggio cadono sotto la responsabilità del Centro di Controllo della Missione (il famoso Mission Control Center, MCC, del Johnson Space Center) di Houston, la cui direzione spetta al Direttore di Volo, chiamato “Flight” nelle comunicazioni.

Il momento che segna il passaggio dalla fase di lancio alla fase di volo è l’abbandono della torre, descritto con la famosa frase “tower cleared”.

Le procedure eseguite durante il countdown riempiono un intero manuale della NASA, elenchiamo qui le più importanti:

T-43 ore
Inizia il countdown, il velivolo e la rampa vengono preparate per il lancio, si controllano i sistemi di volo, le rampe di accesso al ponte di volo e al ponte mediano sono rimosse,

T-19 ore
Inizia la preparazione e i test di funzionamento dei tre motori principali, viene riempita d’acqua la vasca del Sound Suppression System per ammortizzare le onde d’urto generate dai motori.

T-6 ore
La squadra effettua un ultimo, maniacale, controllo per verificare che non ci siano violazioni alle norme di sicurezza. Tutti i tecnici abbandonano la zona di lancio. Inizia il riempimento del serbatoio esterno che richiede circa 3 ore.

T-3 ore
Gli astronauti, dopo aver completato la vestizione delle loro tute arancioni, e dopo i doverosi saluti, vengono accompagnati da una squadra di tecnici fino alla rampa di lancio e entrano nello Space Shuttle uno per uno, attraverso la cosiddetta White Room. Quindi eseguono una lunghissima serie di controlli della strumentazione, oltre che effettuare le prove di comunicazione (i cosiddetti “Comm Check”) con entrambi i centri di controllo. Il portello di accesso alla navetta viene chiuso, tutti gli uomini abbandonano la zona di lancio. Gli astronauti da questo momento fino all’atterraggio finale sono soli.

T-20 minuti
I computer di bordo vengono impostati in configurazione di lancio

A T-9 minuti inizia la parte più emozionante del Countdown. Il Direttore di Lancio chiama uno a uno i controllori di volo per un GO/NO GO per il lancio.

Lo Space Shuttle viene progressivamente isolato dalla rampa di lancio, ritraendo tutti i ponti di collegamento. Vengono avviate le APU (Auxiliary Power Unit), cioè le Unità Energetiche Ausiliarie, testate le sospensioni che permettono ai motori principali di muoversi e, infine, ritratto lo strano “cappello” posto sopra il serbatoio esterno, il cosiddetto “beanie cap”: la sua funzione è quella di condizionare il serbatoio dell’ossigeno.

A T-2 minuti gli astronauti chiudono e bloccano le visiere dei loro caschi: questo è il segnale inequivocabile che sono ormai pronti al lancio.

A T-50 secondi lo Space Shuttle viene alimentato solo dai generatori di bordo: ormai è completamente isolato dalla rampa di lancio.

Solitamente il Countdown dello speaker inizia a T-15 secondi.

A T-10 secondi si notano delle scintille sotto i motori principali: queste sono in realtà delle schegge di metallo incandescenti che servono ad evitare che delle perdite di propellente durante l’accensione dei propulsori possano accumularsi sulla rampa di lancio.

A T-6,6 secondi i motori principali dello Space Shuttle sono accesi, impiegano circa 3 secondi per raggiungere la spinta nominale.

L’astronave è ancora saldamente bloccata alla rampa di lancio da quattro, robustissimi, bulloni esplosivi.

I computer di bordo dello Space Shuttle, i GPC, controllano il corretto funzionamento e assetto dei motori principali e, se non viene segnalato alcun problema, il Countdown va avanti.

A T-0 secondi avviene l’innesco dei due booster e, contemporaneamente, l’esplosione dei ganci che saldano l’astronave alla rampa di lancio.

E, istantaneamente, lo Space Shuttle si innalza nel cielo.

Lo speaker annuncia il “Liftoff” e così inizia la nostra avventura.

Gli astronauti di solito descrivono le sensazioni avvertite durante il lancio come quelle di un “rock ‘n roll sfrenato”.


Ecco tre fotogrammi del lancio di uno Space Shuttle. Copyright © NASA

La navetta parte in posizione perfettamente verticale per allontanarsi il più velocemente possibile dalla rampa di lancio. Dopo 7 secondi dal decollo inizia il cosiddetto “pitch and roll program”, cioè la manovra di rullata e cabrata. Lo Space Shuttle mostra tutta la sua grazia con una curiosa piroetta che serve essenzialmente per assolvere due, importantissimi, compiti: costruire, progressivamente, la velocità orbitale e immettere l’astronave nell’orbita prestabilita per la missione.

Il “pitch and roll program” costruisce la velocità orbitale in quanto porta progressivamente lo Space Shuttle ad assumere un assetto parallelo al suolo, ma rovesciato: negli ultimi minuti di accelerazione gli astronauti si ritrovano praticamente a testa in giù. Durante questa manovra la potenza dei motori viene diminuita al 65% per non sovraccaricare eccessivamente le struttura. Dopo il momento di massima resistenza aerodinamica, il cosiddetto MAX Q, che avviene a circa 35 secondi dopo il lancio e coincide praticamente con il raggiungimento della velocità supersonica, viene chiamato il “go at throttle up”, cioè i motori vengono portati al massimo della spinta.

A T+2 minuti, a circa 50 km di quota, avviene una fase molto importante e delicata del decollo: il distacco dei booster.

La navetta, insieme al serbatoio esterno, si allontana progressivamente dalla Terra e incontra degli strati molto meno densi di atmosfera, quindi acquista velocità molto velocemente, con una accelerazione finale di circa 3g. La navetta continua la sua folle corsa fino a raggiungere, dopo il distacco del serbatoio esterno, la velocità orbitale, circa 28.000 Km/h: 8 chilometri al secondo, oltre Mach26 (cioè 26 volte la velocità del suono)!

La navetta raggiunge l’apogeo della sua orbita a T+45 minuti: qui entrano in funzione i motori OMS che portano la navetta alla sua quota di crociera, 300 chilometri sopra il nostro bel pianeta.

Allo spegnimento dei motori principali viene comunicato il “MECO”, cioè Main Engine Cut Off: gli astronauti possono iniziare a svolazzare per la navetta senza che la gravità li tenga per terra!

VIAGGIARE SICURI…

I sistemi di sicurezza progettati per diminuire il rischio di incidenti durante una missione Shuttle sono praticamente infiniti. Tuttavia la sicurezza assoluta non esiste e non esisterà mai e, ancora oggi, viaggiare sullo Space Shuttle è una avventura ai limiti delle possibilità umane. Potrebbe sembrare strano, ma il sistema di sicurezza più affidabile ed efficiente presente sull’astronave è costituito… dagli astronauti stessi. Nessun computer potrà mai avere l’esperienza di un uomo nella valutazione dei rischi.

Il lancio di uno Space Shuttle avviene in tempi relativamente rapidi ed è caratterizzato dal funzionamento, ai massimi livelli, di quasi tutti i sistemi. Per questo motivo è più probabile che un ipotetico incidente avvenga alla partenza. Perciò sono state studiate quattro manovre di emergenza da effettuare durante il tempo della propulsione, in funzione del momento in cui avviene un incidente ai motori.

Tuttavia è importantissimo sottolineare che non è possibile effettuare alcuna manovra di emergenza durante il funzionamento dei booster, il vero incubo degli astronauti.

I sistemi di annullamento della missione, con conseguente recupero della navetta sono: l’RTLS (Return To the Launch Site), il TAL (Transoceanic Abort Landing), l’AOA (Abort Once Around) e l’ATO (Abort To Orbit).

Nel caso si riscontrassero dei problemi durante i primi quattro minuti dopo il lancio (ma sempre dopo il distacco dei booster), viene effettuata una complessa manovra per spendere l’enorme energia cinetica acquistata e permettere il rientro immediato della navetta al Kennedy Space Center. Quando lo Space Shuttle non è più in grado di effettuare un RTLS, perché troppo lontano da Cape Canaveral, viene dichiarato il “Negative Return”. Se il guasto avviene da 4 a 6 minuti dopo il lancio, lo Shuttle possiede un’energia sufficiente per attraversare l’Oceano Atlantico e atterrare in uno dei tre aeroporti autorizzati per questi atterraggi di emergenza: due in Spagna e uno in Francia (questo è il TAL). Il tragitto compiuto dallo Shuttle durante il lancio attraversa tutto l’Atlantico (i razzi viaggiano sempre in senso antiorario, cioè seguono la rotazione della Terra), fino a sfiorare Capo di Buona Speranza, in Sudafrica.

Se il problema ai motori dovesse verificarsi dopo i sei minuti dal lancio, la navetta ha abbastanza energia da compiere un’intera orbita bassa e atterrare alla base militare di Edwards, in California (AOA).

Infine, se il problema ai motori si verifica quando l’astronave ha acquistato una velocità sufficiente, l’orbiter viene immesso in un’orbita provvisoria, ma comunque stabile (ATO).

Lo sfortunato comandante di Shuttle che dovesse affrontare una situazione di pericolo durante il lancio può, semplicemente girando una manopola, ordinare al computer di effettuare una qualsiasi delle manovre sopra esposte: queste vengono effettuate completamente in automatico.

Nel caso in cui, durante il rientro, la navetta sia impossibilitata ad effettuare un atterraggio in sicurezza si procede all’abbandono della stessa. Si immette l’orbiter danneggiato in una traiettoria di volo planato sull’Oceano: quindi l’intero equipaggio abbandona l’astronave lanciandosi con il paracadute tramite un palo incurvato verso il basso rende vana la possibilità che un astronauta, lanciandosi dal portello, possa scontrarsi contro l’ala della navetta.

Durante i primi test di volo degli Shuttle esisteva anche la possibilità di abbandonare l’astronave per mezzo dei seggiolini eiettabili che sparano gli occupanti del Ponte di Volo fuori dalla navetta. Questo sistema tuttavia non è mai stato operativo durante le missioni dello Space Shuttle.

E bisogna aggiungere che la possibilità che il comandante di uno Space Shuttle decida di effettuare una delle manovre di emergenza è minima perché queste comportano dei gravissimi rischi. Interrompere la corsa dello Space Shuttle verso il cielo è estremamente rischioso e, per dirla tutta, dopo aver girato la manopola delle emergenze ci si può solo affidare alle preghiere. Immaginate le difficoltà insite nel dover frenare, magari con una “sgommata”, uno Space Shuttle coi motori a manetta! Di solito si preferisce rischiare e non poche sono state le occasioni in cui uno Space Shuttle è arrivato in orbita con uno o più motori malfunzionanti.


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Coordinamento: Pasqua Gandolfi
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