Una delle difficoltà che sono emerse negli ultimi tempi durante la progettazione del nuovo vettore Ares I riguarda l’instabilità di combustione all’interno del primo stadio solido del lanciatore.
Il problema è ben conosciuto dal punto di vista teorico e tipico di questo tipo di propulsione, nel caso dell’Ares I, con 5 segmenti di SRB il problema sorge con l’oscillazione della pressione nella camera interna provocando fenomeni di risonanza sull’intera struttura del vettore.
La nascita del fenomeno è da ricercarsi all’interno dello stadio, dove i vortici che scorrono all’interno della camera di combustione sono generati dalle discontinuità nel propellente solido.
Il problema non è grave se non si raggiungono frequenze pari o frazione esatta del modo di vibrazione dell’intera struttura. A quel punto nascono fenomeni di risonanza che possono creare gravi problemi all’intero lanciatore.
Attualmente non è ancora chiaro quale sia la gravità del problema a causa dell’assenza di test reali in volo, si stanno però cercando possibili soluzioni da mettere in atto per prevenire il problema.
Lo scorso anno, a seguito delle prime analisi strutturali è venuto alla luce un possibile problema con le frequenze di risonanza del lanciatore con le instabilità di combustione, soprattutto ad alti carichi dell’upper stage e quindi per la capsula Orion.
E’ quindi iniziata un’analisi approfondita della questione e ci si è resi subito conto della mancanza di dati oggettivi ricavati da prove in volo in quella configurazione, i quali avrebbero semplificato enormemente l’analisi.
Il database consisteva nei dati completi di appena 4 missioni (da STS-1 a STS-4) e parziali di una quinta (STS-9), ma soprattutto nessun dato nella configurazione attuale del progetto a 5 segmenti.
Da questo si è decisono di istituire un Tiger Team apposito, incaricato di analizzare il problema nella maniera più approfondita possibile e proporre delle modifiche per scongiurare il problema definitivamente.
Le prime conclusioni hanno rilevato che le frequenze di vibrazione sono dipendenti dal livello acustico all’interno della camera di combustione, dalla lunghezza e dalle proprietà fisiche del gas.
Il problema era capire come questi parametri influissero specificatamente su questo vettore.
Problemi di instabilità esistono anche sui SRB dello shuttle, ma il complesso è in pratica insensibile alle frequenze provocate.
La difficoltà di analisi è poi sorta nuovamente scnedendo nello specifico del progetto in quanto non ancora definito stabilmente e soggetto a variazioni. Le stesse analisi erano comunque state eseguite su precedenti vettori, quali i vari Ariane, Taurus e Pegasus con lo stesso intento.
Alla fine di questa prima analisi si è rilevato che il limite fisico per l’equipaggio a quelle frequenze è di 0.6G mentre è consigliabile un livello al di sotto di 0.25G per far si che l’equipaggio possa lavorare normalmente.
Dopo questa prima analisi il problema era ufficialmente diventato il primo da risolvere dell’intero progetto con carichi oltre i limiti per capsula, equipaggio e upper stage.
La prima richiesta del Tiger Team è stata quella di nuovi dati reali sui SRB, per questo tutta la strumentazione verrà re-installata per la missione STS-125 in modo da avere dati attuali e più precisi.
Intanto sono state pensate alcune soluzioni da poter mettere in atto per la completa risoluzione del problema.
La proposta più probabile e radicale emersa alla luce nel caso non si riuscisse a scendere al di sotto dei limiti fisici imposti è quella di ridurre nuovamente il primo stadio solido a 4 segmenti che tornerebbe ad essere del tutto simile agli attuali SRB e raddoppiare (o come ipotesi più remota triplicare) i propulsori sull’upper stage per compensare la perdita di spinta.
La possibilità di ridurre la causa del problema dalla fonte, eliminando le oscillazioni della pressione, viene classificata come ad alto rischio e improbabile nella sua realizzazione.
Per cui è necessario analizzare il problema e cercare di attenuarlo fino a livelli accettabili.
La soluzione che sembra più applicabile è quella che porterebbe ad un livello di frequenze accettabili modificando le frequenze critiche di circa il 10% intervenendo sulla struttura, inserendo poi diversi smorzatori lungo tutto il lanciatore, in particolare fra upper stage e inter-stage, fra upper stage e Orion e sui sedili dell’equipaggio. In parallelo un irrobustimento della struttura dell’upper stage e un isolamento di tutte le apparecchiature sensibili.
La decisione se intervenire in questa direzione non è ancora stata presa, pare però che le prime analisi fossero sensibilmente pessimistiche sui livelli raggiungibili durante il volo e dai risultati dell’analisi pubblicata nei giorni scorsi sono stati analizzati gli impatti del problema su ogni componente.
In particolare per i propulsori di tutti gli stadi non ci sono problemi con gli attuali livelli, il serbatoio del LOX dell’upper stage necessita un irrobustimento nella parte superiore e alcuni serbatoi di Orion necessitano irrobustimenti nel SM attualmente progettato per carichi +4/-0.5G.
Le dinamiche del propulsore interno del primo stadio sono oggi comprese meglio che all’inizio dell’analisi, rimangono però ancora da svolgere alcuni test in scala per completare i dati.
Rimangono poi da raccogliere i dati reali durante un volo shuttle per capire le differenze fra test a terra e funzionamento reale.
La situazione è ancora decisamente fluida e nessuna decisione ancora presa, con i dati necessari che saranno accumulati almeno fino ad Ares I-Y nel 2011 con la possibilità di vedere un irrobustimento generale e un depotenziamento del primo stadio come soluzione concreta al problema.
Sicuramente questo porterà ad un aumento di peso, per cui nel prossimo anno sarà necessario rivedere alcune parti del progetto per continuare ad avere le prestazioni necessarie per la ISS e la Luna.
Con l’attuale design per ora non è possibile prevedere se le frequenze possano scendere abbastanza da non creare problemi all’equipaggio per cui si continuerà a valutare anche questa l’ipotesi 4 segmenti/2 J2-X.
Da notare che in fase di analisi sono state considerate che configurazioni a 5.5 segmenti o 3 propulsori per l’upper stage, entrambe però sono state per ora classificate come improbabili e poco applicabili.
I risultati definitivi non arriveranno comunque prima di Ares I-X e Orion 1 i quali avranno a bordo tutte le attrezzature per analizzare i dati per l’impiego operativo umano del nuovo vettore.
Non avranno dati abbastanza utili IMHO dalle rilevazioni degli srb dello shuttle.
Dovrebbero realizzare un simulacro dell’upperstage intero (pesato) e accenderci sotto
un srb o simularlo (a patto ci siano software in grado di dare una predizione minimamente
plausibile di tutti i carichi in gioco) o ancora silmulare le vibrazioni sul simulacro
per tastare con mano il problema e agire di conseguenza…
A me pare un po’ preoccupante più che “fluida” la situazione… 
Poi è un mio parere Albyz, ovviamente 
I dati dai SRB in volo servono per poter confrontare i test eseguiti a terra sui SRB a 4 segmenti e analizzare le differenti rilevazioni in modo da capire quali siano le differenze nei parametri registrati fra i due tipi di test… non servono sicuramente per capire i modi di vibrazione del booster a 5 segmenti o le frequenze di risonanza della struttura completa…
Dovrebbero realizzare un simulacro dell'upperstage intero (pesato) e accenderci sotto un srb
Ares I-X
...o simularlo (a patto ci siano software in grado di dare una predizione minimamente plausibile di tutti i carichi in gioco) o ancora silmulare le vibrazioni sul simulacro per tastare con mano il problema e agire di conseguenza...
E’ quello che si è fatto fino ad ora e che ha portato a queste conclusioni
A me pare un po' preoccupante più che "fluida" la situazione...
Non è il primo problema ingegneristico che sorge in un nuovo programma e non sarà nemmeno l’ultimo…
Vi sembrerà strano ma questo tipo di problemi non mi sorprende.
Quello che mi sorprende davvero è che la NASA non abbia pensato di affrontarli prima…
Beh sono del tutto normali problemi come questo in un progetto di qualsiasi genere…
Non sono daccordo sul pensarci prima… visto che fino a quando non si ha la configurazione completa e stabile del vettore è impossibile e inutile analizzare frequenze proprie e di risonanza che magari dopo qualche mese varierebbero e renderebbero inutile lo studio… ogni analisi ha il suo tempo… non è pensabile fare tutto subito per portarsi avanti con il lavoro… tant’è vero che lo studio si concluderà dopo i primi 3 voli… perchè proprio quei primi 3 voli dovranno dare i risultati definitivi per l’analisi del problema.
A questo punto preferirei veramente partire da una configurazione testata e funzionante (leggi Saturno/Apollo) e poi eseguire le migliorie…
Tanto devono fare quello che è stato fatto egregiamente 40 anni fa…
Gli SRB danno problemi già con lo Shuttle (è uno dei motivi della chiusura del programma) e li vogliono riutilizzare a tutti i costi…
Mi spiace (Albyz, abbi pazienza ), ma ogni notizia che leggo del nuovo programma sono sempre più scoraggiato…
Che problemi?
Il nome Challenger suggerisce niente???
Allora forse avevano UN problema che è stato risolto 20 anni fa e non è un motivo della chiusura del programma ORA… così forse è più corretto…
Quoto in tutto e per tutto.
Mah, io ricordavo che un vettore che non può essere spento è sempre un problema infatti si tende ad utilizzare i combustibili liquidi per i vettori manned.
Una delle migliorie proposte per lo Shuttle era appunto la trasformazione dei booster rendendoli a propellenti liquidi.
Poi se bisogna continuare a tenere il fiato finchè gli SRB lavorano…
Eppoi non sono un esperto e sono palesemente di parte… 
Domanda non provocatoria: potrebbe mai succedere che una volta assemblato il vettore si scoprisse che la sorgente delle vibrazioni è, come dire, strutturale, e non si può risolvere?
Esistono strumenti di analisi che consentano di prevenire questo genere di problemi?
Quoto Monzi, una delle maggiori critiche al programma Shuttle era rappresentata proprio dall’utilizzo degli SRB (ereditati dal Titan IIIM del programma X20/MOL).
Allora erano un problema sugli Shuttle e sono diventati improvvisamente “normali” per l’Orion, sinceramente la cosa non mi quadra.
Se non si era capito anche io sono, e molto, di parte…
I SRB non sono meno pericolosi su un veicolo dotato di torre di fuga come Orion?
Paolo Amoroso
In teoria i modelli di analisi dei modi dovrebbero servire proprio a questo.
Su di un vettore “lungo” (ossia dato il rapporto lunqhezza/diametro medio) come Ares I c’era da aspettarselo ad avere problemi di vibrazione indotti dal continuo variare del centro di pressione (ed anche del baricentro) dovuto al consumarsi del propellente solido.
Torno a ripeterlo sono abbastanza sorpreso, aldilà delle risposte “piccate” di Albyz, che la NASA solo ora scopra l’esistenza di questa problematica. Sarebbe stato lecito aspettarselo 50 anni fa non ora che questi fenomeni sono noti ed in qualche misura simulabili.
Questo è vero ma la pericolosità sta nei SRB abbinati ad un mezzo come lo shuttle che in pratica non ha “vie di fuga”, mentre la torre di lancio di Orion proteggerà allo stesso identico modo da problemi provocati da eventuali combustibili solidi o liquidi.
In caso di esplosione non c’è differenza fra l’una o l’altra tipologia nella messa in sicurezza dell’equipaggio, tanto è vero che nella tragedia del Challenger l’esplosione è stata del ET a propellenti liquidi… e allo stesso modo non c’è stata via di fuga…
Quello che intendo dire è che sullo shuttle il problema è identico sia per l’apparato a propulsione solida che liquida, e per Orion idem, solo che la messa in sicurezza in uno non è presente per entrambi gli inconvenienti mentre per l’altro è la medesima, con medesima utilità…
Se ho capito la tua domanda, è già così, nel senso che come scritto sopra e come dichiarato dal Tiger Team, risolvere il problema eliminando le vibrazioni è in pratica impossibile, l’unica è cercare di evitare quelle pericolose per la struttura e attuare tutti i sistemi di protezione disponibili.
Gli strumenti di analisi sono quelli messi in atto fino ad ora, sia numerici che reali con test di accensione in scala e reali, compresi i voli-test, credo che quello che si sta facendo sia prevenzione non risoluzione di un problema ci si è accorti di esso durante la progettazione e durante la fase di analisi ad esso dedicata non in fasi successive o dopo l’inizio dell’operatività, per cui tutti gli strumenti utilizzati sono di prevenzione del problema.
Sono meno pericolosi nella misura in cui l’equipaggio può separarsi dal mezzo durante il lancio, il fatto che i motori a propellente solido, una volta accesi non possano più essere fermati è un fatto ineluttabile.
Scusa, ma se oggi succedesse quello che è successo al Challenger, dal controllo di terra potrebbero vedere il “plume” con le telecamere.
Con un motore a liquidi lo spegni e risolvi: con gli SRB attuali puoi solo guardare e non hai soluzioni!
L’equipaggio è comunque spacciato!
Mi sembra molto diversa la faccenda…
E tu prosegui nel progetto di un vettore che ha già dei problemi così gravi?
Le vibrazioni le puoi smorzare, certo, ma se cominci a pensare ai sedili direi che c’è qualcosa che non va: siamo già alla frutta.
Scusa ma resto della mia idea: meglio uno Shuttle con tutte le migliorie fatte finora che un progetto nuovo che deve già scendere a compromessi inaccettabili…
Questo è vero, ma un conto è considerare la possibilità e l’affidabilità di shutdown di un lanciatore a liquido rispetto al caso solido, altro conto è analizzare le possibili instabilità di combustione. A dire il vero l’avvento dei propellenti solidi con notevole presenza di alluminio sotto forma di nano e pico polveri (20% in massa dell’intera mescola di propellente) ha diminuito di molto i rischi di instabilità di combustione di alta frequenza. Non saprei se in questo caso il tipo di propellente sia stato modificato oppure se siano sorti problemi dovuti alla diversa geometria del grano propellente, oppure, come appare normale, alla diversa distribuzione delle masse che hanno reso gli intervalli di frequenze da disaccoppiare più vicini…
Non credo ci sia dipendenza fra vibrazioni e lunghezza del vettore.
Torno a ripeterlo sono abbastanza sorpreso, aldilà delle risposte "piccate" di Albyz, che la NASA solo ora scopra l'esistenza di questa problematica. Sarebbe stato lecito aspettarselo 50 anni fa non ora che questi fenomeni sono noti ed in qualche misura simulabili.
Credo ci siano almeno due grossi equivoci di fondo, uno procedurale e uno fisico-ingegneristico.
Il primo è che il problema è venuto alla luce esattamente quando avrebbe dovuto venire alla luce. Non so se è ben chiaro il processo che si sta effettuando a riguardo.
Il problema deve essere esaminato con una configurazione del vettore in buona parte definita e stabile, prima non ha senso eseguire studi approfonditi a riguardo, per cui una volta che si ha in mano la configurazione finale (un anno fa) si iniziano gli studi su eventuali conflittualità vibrazionali fra SRB e struttura completa.
E qui c’è secondo me la seconda incomprensione, qualsiasi struttura ha proprie frequenze di risonanza, non è che si possono evitare, ci sono e basta.
Allo stesso modo i SRB genereranno sicuramente delle vibrazioni a certe frequenze.
Lo studio quindi deve poter verificare che le une non siano conflittuali con le altre.
Se questo avviene bisogna cercare di spostare una delle due, o entrambe, allontanandole a “distanze” di sicurezza.
Questo non è un problema che è sorto in fase avanzata o comunque tardi, è sorto esattamente quando lo si è analizzato per la prima volta cercando appunto di evitarlo.
Non ha assolutamente senso parlare di dovevano farlo prima, dovevano pensarci prima… Ho una struttura, di conseguenza ho delle frequenze critiche, controllo che queste frequenze non siano stimolate dal SRB, se è così modifico quello che c’è da modificare, punto. Prima non c’era nulla da fare e nulla da prevedere…