Vademecum dell’astronautico amatoriale.
Tutto o quasi quello che c’è da sapere sulle tecniche astronautiche.
Dopo la Storia dell’Astronautica, ecco un altro regalo a tutti gli amici di Forumastronautico. Se trovate errori o imprecisioni non esitate a correggere il testo.
Parte 2. I missili.
La propulsione ha razzo ha fortemente influenzato l’architettura dei veicoli destinati a volare nello spazio.
Anticamente, come ancora oggi, gli ordigni più semplici sono costituiti da un cilindro contenente la carica di lancio ed un’asta che funge da stabilizzatore. Questi hanno una imprecisione scandalosa ed è questo uno dei motivi per cui furono scartati come armi in favore del cannone.
I primi pionieri della missilistica iniziarono i loro studi ponendo il razzo in cima all’ordigno ed i serbatoi sotto, così i serbatoi sarebbero serviti anche da stabilizzatori, ma dovevano essere protetti dai gas combusti che premevano e scaldavano le loro superfici. Mettere il razzo sotto ai serbatoi fu un evoluzione naturale e dotare l’ordigno di alette stabilizzatrici una conseguenza altrettanto inevitabile. Occorreva un involucro aerodinamico che racchiudesse il tutto ed anche un sistema di sensori capaci di sentire l’orientamento del veicolo, che furono posti in cima ai serbatoi, dove le oscillazioni dell’ordigno sarebbero state meglio percepibili. Nasceva così il missile.
Ancora oggi l’architettura dei missili non è cambiata. Alla base uno o più razzi, poi i serbatoi dei propergoli e dei pressurizzanti (gas destinati a pressurizzare i serbatoi dei propergoli mentre questi si svuotano o anche ad azionare le loro pompe, oltre ad altri servomeccanismi), i sistemi di guida ed in cima a tutto, nell’ogiva, il carico o payload, come chiamato nel gergo astronautico. E questa era l’architettura del primo missile della storia, l’A4, meglio noto come V2 (Vergeltungswaffe), realizzato dalla Germania nazista nella Seconda Guerra Mondiale. Ma questo missile saliva fino a circa 80 chilometri d’altezza lambendo il vuoto dello spazio e ricadeva a 400 chilometri dalla rampa di lancio. Di fatto, a parte il breve tratto di volo propulso iniziale della durata di pochi minuti, volava per inerzia come un comune proiettile d’artiglieria. Dopo la guerra altri A4 furono lanciati il più in alto possibile, ma nessuno possedeva la quantità di carburante necessaria a far loro raggiungere l’orbita. Il loro progettista, Werner Von Braun, lo sapeva. L’A4 era solo un prototipo ed un contentino per i guerrafondai nazisti. Dotare il missile di propulsori più grossi e serbatoi molto più capienti è a prima vista la soluzione più semplice, peccato che semplice, in astronautica, fa rima con complicato. Il razzo destinato a spedire nello spazio un veicolo in un solo colpo deve reggere a sollecitazioni termiche e dinamiche per parecchi minuti e per resistere dovrebbe essere così massiccio e robusto che finirebbe per pesare eccessivamente. Un compito al momento impossibile per la nostra tecnologia. Lo stesso Von Braun aveva già capito che per aumentare le prestazioni dei missili li si doveva realizzare in più sezioni, chiamate stadi, uno sopra l’altro. I razzi da usare erano più semplici da realizzare. Devono resistere solo per il tempo necessario a consumare i propergoli del loro stadio, poi questo si sgancia dal resto del complesso e si attivano i razzi dello stadio successivo, che si avviano sgravati del peso superfluo dello stadio precedente, vuoto ed inutile. Oggi i missili sono suddivisi da due a quattro stadi a seconda del tipo e della destinazione d’uso.
I missili sono poi costruiti in modo da risparmiare al massimo sui pesi, pur avendo una struttura capace di sostenere il peso della struttura stessa, dei razzi, dei serbatoi pieni (che costituiscono la maggior parte del peso), del carico e delle sollecitazioni durante il volo. Uno dei trucchi dei progettisti è quello di progettare serbatoi che fungono loro stessi da struttura portante. Per capire come è possibile basta pensare alla lattina di una bibita. Vuota la lattina ha una resistenza meccanica irrisoria e si accartoccia con facilità, ma quando è piena è dura e resistente. I serbatoi di molti missili sono realizzati con sottili fogli metallici, molto più sottili di quelli di una lattina, che riempiti di gas inerte o propergoli acquisiscono una rigidità tale da reggere il peso del missile e la pressione del volo. Il problema è che questi serbatoi sono delicati, tanto che un banale urto può lacerarli.
I primi stadi di molti missili sono dotati di alette stabilizzatrici. Il loro scopo è quello di regolarizzare la traiettoria ed impedire rotazioni sull’asse longitudinale. Il cambio di direzione di un missile invece è limitato. Inizialmente era ottenuto con delle alette apposite che deviavano i gas combusti dei razzi, oggi invece è possibile inclinare i razzi stessi, quel tanto che basta. D’altra parte un missile spaziale non deve essere dotato della manovrabilità di missili più piccoli destinati ad usi bellici.
Una volta lanciato, del missile si recupera solo la rampa di lancio. I missili moderni sono tutti usa e getta. Proprio per questo motivo si cerca di lanciarli in modo che la loro rotta non passi sopra a centri abitati. Se questo è vero per le basi di lancio europee e statunitensi, russi e cinesi invece non se ne sono curati troppo e la cronaca registra gli spiacevoli casi di stadi esausti o di parti di missili guastatisi in volo e caduti a terra, dove hanno ucciso diverse persone, sia nei poligoni di lancio che in centri abitati. Realizzare stadi recuperabili con paracadute o altri dispositivi si è rivelato troppo complesso. Questi accessori comportano un aggravio di pesi e costi. Inoltre dopo l’eventuale recupero tali manufatti devono essere sottoposti a revisioni spesso costose e che non garantiscono la riutilizzabilità. Ecco i motivi degli alti costi di lancio che penalizzano l’astronautica. Un tentativo di realizzare un veicolo riutilizzabile è quello della navetta spaziale statunitense, ma questo è un argomento di cui ci occuperemo in una parte apposita.
Per facilitare il decollo dei missili, specialmente se trasportano un carico eccessivo rispetto alle loro prestazioni, si usa agganciare al primo stadio due o più missili ausiliari, detti booster, a combustibili liquidi o solidi, a seconda dell’evenienza. Tali mezzi forniscono una spinta supplementare al decollo ed il loro peso è assolutamente minimo. Essi si sganciano dal corpo principale molto prima che il primo stadio esaurisca la sua spinta e spesso sono predisposti di paracadute per essere recuperati e riutilizzati. Date le loro piccole dimensioni e la semplicità costruttiva è facile renderli riutilizzabili.
In cima ai missili sono posti i carichi paganti. I carichi sono protetti durante il volo atmosferico da appositi pannelli che una volta nello spazio si staccano. Con il tempo nell’ogiva dei missili si riuscì a sistemare anche più di un satellite. Questo comporta anche un minor costo per i proprietari del carico pagante che possono suddividere la spesa del lancio con altre società. Però per un certo tempo ci fu la tendenza a realizzare missili adatti solo a carichi paganti di medie e grandi dimensioni. I piccoli carichi dovevano trovare posto in qualche modo nelle ogive o essere in quantità tale da riempirle, ma la dismissione di vecchi missili ICBM (missili intercontinentali ad uso bellico) e la realizzazione di missili di piccola portata ha aperto le porte dello spazio anche a loro.
I moderni missili che portano nello spazio carichi commerciali, militari e scientifici, devono soddisfare dei precisi requisiti di sicurezza. Oggi esiste un vero mercato dei missili, sebbene alcuni vengano ancora prodotti e lanciati a cura e carico di enti o agenzie governative. Chiunque abbia un veicolo da portare nello spazio cerca sul mercato un missile idoneo e dai costi limitati. Trovato il missile la società stipula poi un contratto con una agenzia assicurativa, la quale prima d chiudere il contratto deve verificare l’affidabilità del missile. Qui scopriamo che per aprire una polizza assicurativa occorre affidarsi ad un missile con una affidabilità almeno del 99,8%! Sembra impossibile, eppure è così. Come si ottiene una tale affidabilità con missili che spesso sono al limite della tecnologia? Una grossa fetta dell’affidabilità si ottiene già in fase di progetto, dichiarando il tipo, la qualità e le prestazioni dei singoli componenti. Dichiarando il livello dei controlli e le procedure da seguire in fase di realizzazione dei componenti, dell’assemblaggio e della gestione prima e durante il volo. Chiaramente tutto questo comporta costi aggiuntivi che incidono sul prezzo al cliente finale, ma diversamente le assicurazioni non stipulano polizze ed il proprietario del veicolo lo fa partire a suo rischio e pericolo. Nel caso poi che il missile sia destinato al volo umano l’affidabilità passa al 99,9 %. Eppure i voli spaziali restano a rischio, per altro il rischio lo si ha anche con i veicoli più semplici e collaudati che usiamo in terra, mare e cielo. Un veicolo assolutamente sicuro è solo un utopia.
Esistono altri veicoli per andare nello spazio? Verne ipotizzò un proiettile sparato da un grande cannone. L’idea non è poi così cattiva. Tentativi di realizzare super-cannoni sono stati fatti, ma le loro implicazioni fortemente militari fanno si che intorno all’argomento non si sappia. Uno degli uomini più esperti nel settore è stato assassinato tempo fa. E’ possibile che il suo assassinio sia correlato ai suoi studi o forse ad altre vicende, per ora però pare sia tutto fermo intorno all’argomento.
Tra le due guerre mondiali il tedesco Sangher propose l’idea di un grande aereo che portava il missile ad alta quota, dove poi il missile partiva per lo spazio. L’idea è plausibile e viene proposta spesso come sistema di trasporto spaziale del futuro. L’ESA, European Space Agency, aveva deciso di finanziare seri studi in merito, poi ha abbandonato il progetto perché non esistono ancora le tecnologie per realizzare il veicolo madre, dal peso enorme, che dovrebbe portare ad alta velocità il veicolo spaziale ad alta quota. Una versione molto più piccola è comunque stata realizzata negli Stati Uniti con il Pegasus, un piccolo missile che viene portato ad alta quota da un veicolo da trasporto commerciale opportunamente modificato. Ovviamente il carico pagante è molto piccolo.
Un faraonico e fantascientifico progetto invece è quello dell’ascensore orbitale, una torre alta almeno cento chilometri da cui lanciare i veicoli spaziali direttamente nello spazio. E’ un progetto ancora fuori dalla portata della nostra tecnologia, che viene rivisto di volta in volta in base ai progressi tecnologici, ma al momento è solo un esercizio di fantatecnologia, sebbene plausibile e forse un giorno realizzabile.
Ares Cosmos
