Domanda sulla topologia delle stazioni spaziali

Ciao a tutti,

una domanda che mi sono posto diverse volte è la seguente: c’è un motivo per cui tutte le stazioni spaziali fino ad oggi sono “topologicamente aperte” (mi riferisco alla differenza tra la topologia di “croci” e T vs. O o B)?

Riflettendoci sopra, penso che le ragioni possano essere ricercate tra le seguenti:

  1. semplicità del montaggio: aggiungere un elemento ad una struttura chiusa mi sembrerebbe complicato dal fatto che bisognerebbe traslare l’ultimo elemento piuttosto che avvicinarlo
  2. necessità di poter isolare una parte rapidamente in caso di emergenza
  3. facile gestione dell’espansione termica differenziale
  4. difficoltà di ruotare un elemento rispetto ad un altro

D’altra parte una stazione topologicamente chiusa permetterebbe di

  1. avere una struttura più rigida, soprattutto se controventata, anche su un piano
  2. minore superficie a parità di volume
  3. minore momento di inerzia a parità di massa
  4. fuga possibile anche nel caso in cui un settore intermedio diventi impraticabile

Qualcuno sa darmi una risposta basata su documentazione? Cercare una risposta su internet non è affatto facile…

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Il termine tecnico credo sia “semplicemente connesse” e non “topologicamente aperte”, se ho capito bene la tua domanda.
Sinceramente non vedo nessun vantaggio a farle diversamente, le motivazioni che hai elencato non mi convincono…
La struttura non è sottoposta a sforzi così rigidi, la superficie minore a parità di volume la ottieni in varietà semplicemente connesse, il momento d’inerzia sarebbe maggiore e non minore, se ho capito bene la tua topologia, le scialuppe sono agli estremi quindi la fuga è possibile.

Poi il fatto che ora tutti i moduli si fanno a cilindrotti, rinforza il tuo primo punto.

Dovresti fare il docking contemporaneamente in due direzioni. Servirebbe una precisione mostruosa o delle parti flessibili

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Wow finalmente una domanda di “architettura spaziale”: bravo @pagheca bell’intervento.
Rispetto al tuo articolato quesito sulla topologia, chiusa vs aperta, delle stazioni spaziali è (ahinoi) necessaria una risposta altrettanto articolata.

  1. Agli albori dell’Astronautica (cioè fino al 1957) tutte le stazioni spaziali ideate erano molto “teoriche”, per ovvi motivi, ed erano tutte caratterizzate da una topologica chiusa di tipo toroidale, sia per ragioni strutturali sia per garantire una forza peso indotta da rotazione sul proprio asse, dal momento che (almeno inizialmente) si volevano evitare gli effetti presumibilmente spiacevoli dell’assenza di peso. Queste stazioni dovevano essere assemblate a partire da elementi prefabbricati e con sezioni pressurizzate via via che la struttura veniva completata. Vedi Tsiolokwsky, Noordung, von Braun, BIS et al., il “manifesto” di tali stazioni è rappresentato dal doppio toro della Space Station V apparsa nel film “2001 Odissea Nello Spazio” di Stanly Kubrick ed Arthur C. Clarke del 1968.

  2. Dal 1957 alla fine degli anni 70, cioè al compimento della prima fase dell’Astronautica quasi tutte le stazioni spaziali progettate e realizzate, soprattutto in America, erano del tipo aperto utilizzando stadi superiori di vettori riadattati allo scopo, sia in maniera estemporanea (Wet Workshop) sia attraverso versioni “ad hoc” (Dry Workshop). Un caso per tutti è quello dello Skylab nato come Wet Workshop e realizzato come Dry Workshop sfruttando il terzo stadio, opportunamente adattato, di un Saturn V (lo S-IVB). Nel frattempo i russi progettano e realizzano le prime stazioni spaziali, sempre aperte, realizzate ad hoc con la serie Almaz/Salyut.

  3. Negli anni 80 appaiono le prime stazioni spaziali modulari, ovvero sfruttando la capacità dello Shuttle di trasportare cilindri pressurizzati nella Carbo Bay (anche i russi pensano allo stesso con il Buran) iniziano ad apparire progetti di stazioni, sempre aperte, composte da molti moduli cilindrici pressurizzati organizzati o meno intorno ad uno o più tralicci portanti (chiglia singola o doppia chiglia, per dire configurazioni a “T” oppure ad “H”). Esempi in tal senso sono le stazioni Freedom, Mir, Mir-2 e R-Alpha le quali poi confluiranno tutte nell’attuale ISS, la quale ha una configurazione aperta grosso modo a “+”.

  4. Il futuro. Bella domanda, cosa porterà il futuro? Per il momento sappiamo che il Lunar Gateway e la stazione cinese Tiangong sono aperte e modulari come i loro predecessori. Ciononostante l’introduzione di mezzi di accesso allo spazio rivoluzionari quali Starship/Superheavy e New Glenn, potrebbe rapidamente cambiare il paradigma, soprattutto delle infrastrutture in LEO portando alla realizzazione di stazioni spaziali chiuse, con forza peso indotta o meno, realizzate a partire da elementi prefabbricati proprio come proposto dai pionieri dell’Astronautica. Ed a questo punto il cerchio si chiuderebbe (in tutti i sensi).

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Grazie per le risposte e i molti pareri che in gran parte condivido naturalmente, ma io cercavo un qualche tipo di documento che studi esattamente il problema. Qualcosa che affronti il problema dei requisiti generali relativi alla costruzione di una stazione spaziale.

Almeno seguendo il metodo di assemblaggio a grandi blocchi in orbita o nello spazio, per capire cosa sia possibile pensare di ottenere con la tecnologoia attuale e cosa sia invece no-go per ragioni strutturali o di sicurezza. Il problema (1) per esempio pone un grosso vincolo se irrisolvibile, ma immagino ci siano soluzioni possibili, almeno in teoria, come l’assemblaggio di un’ultima leggera porzione tramite EVA o braccio robotico, o usando due o più clamp che possono agganciare porzioni prossime senza essere inserite radialmente, o magari ruotando un paio di settori… ovviamente sto immaginando. Proprio per questo vorrei vedere come il probema viene affrontato all’inizio.

Riguardo il fatto che una stazione spaziale a disegno “aperto” del tipo della ISS non ponga problemi è vero fino ad un certo punto. Ricordo infatti che un’accensione non programmata dei motori rischiò anni fa di danneggare uno dei giunti principali, con gravi conseguenze per la durata effettiva della stazione stessa.

p.s. Quando ho scritto questo messaggio non avevo visto il messaggio di archipeppe (avevo lasciato il messaggio in edit da sabato!)

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Purtroppo la cosa non è così semplice.
Ogni stazione spaziale progettata davvero ha avuto il suo proprio documento di requisiti nonché i vari ADD (Architectural Definition Document), ICD (Interface Definition Document) e così via.

Quello che tu cerchi è una sorta di “Space Station General Handbook” che così a memoria non mi sembra di aver mai visto (però ora che ci penso potrebbe essere un ottimo spunto per un mio prossimo libro…).

L’unico testo in italiano che affronta la materia in maniera abbastanza organica (sia pure da un punto di vista storico piuttosto che tecnico) è il volume “Abitare lo Spazio” dell’amico Giovanni Caprara pubblicato da Mondadori nell’ormai lontano 1998:

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Ho trovato una reference ad un design degli anni ´80 della Stazione Spaziale Internazionale detta Dual Keel (“doppia chiglia”, in italiano), che aveva effettivamente un design “chiuso”, costituita da una truss (quindi non esattamente costituito da moduli pressurizzati connessi con continuità fra di loro ma tante isole separate) a forma di grande rettangolo diviso a metà come una B. Quel design ricevette critiche pesantissime da più parti:

The Dual Keel design was found to provide poor access for maintenance, visibility from habitable areas was obstructed, there was no provision for internal vehicle ‘hands on’ access to EVA equipment. No crew escape vehicle had been added although a small fleet plus lower-than-hoped-for flight rates means astronauts could not be rescued as easily by the Shuttle.

(da http://www.astronautix.com/d/dualkeelspaestation-1985.html)

tuttavia non è chiaro se l’uso di questa “topologia” sia stato abbandonata per questioni di principio oppure semplicemente per passare ad un altro progetto che solo incidentalmente era stato sviluppato intorno ad un concetto “aperto”, nel senso definito da me nel mio primo commento.

Altre reference interessanti:

e un technical memo NASA:

Riguardo al concerto molto popolare delle stazioni “toroidali rotanti” (à la 2001 A Space Odyssey, per intenderci), le forze di Coriolis in realtà produrrebbero effetti spiacevoli e difficili da controllare.

Va ricordato inoltre che per funzionare egregiamente, al contrario di quanto si vede in molti film di fantascienza, un qualsiasi “piano” d’appoggio dovrebbe in realtà essere una sezione di cilindro, altrimenti gli oggetti tenderebbero a subire una forza che tenderebbe a farli cadere non appena si muovessero da un certo punto. Nulla di troppo complicato, per carità, ma ancora una volta va ricordato che la forza centrifuga può essere “confusa” con quella di gravità solo localmente…

Inoltre, assieme ad alcuni benefici, il vantaggio di disporre di un laboratorio in microgravità verrebbe in gran parte vanificato.

Il problema si risolve aumentando il diametro, maggiore è il diametro minori sono gli effetti perché il numero di giri al minuto diminuisce (oddio spero di averlo spiegato in maniera semplice):

Innanzitutto bisogna vedere se veramente serve un ambiente in microgravità, non tutte le stazioni spaziali sono laboratori orbitali come la ISS. In ogni caso, prendendo ad esempio, un design toroidale al suo centro si è sempre in condizioni di microgravità.

certamente, archipeppe, il concetto mi è chiaro.

Per intenderci, non dico che una stazione rotante toroidale non sia possibile, dico solo che alla prova dei fatti, primo, si dimostra meno “semplice” da disegnare di quello che i film di fantascienza lascerebbero pensare, e secondo offrirebbe vantaggi ma anche svantaggi rispetto ad una “inerziale”.

Poi ci sono altre soluzioni, come quella di un asse rotante con due masse agli estremi. Ma anche in questo caso ci sarebbero problemi per esempio per il docking/undocking, che dovrebbe avvenire solo al centro di rotazione e con un giunto rotante, cosa - ancora una volta - non impossibile ma abbastanza complicata, soprattutto visto che qualsiasi spostamento di masse all’interno non compensata perfettamente provocherebbe uno spostamento ritmico del punto di attracco che renderebbe ancora più complesso il docking, soprattutto in casi di emergenza. Per non parlare di fenomeni di precessione, magari indotti dal movimento di persone all’interno, che renderebbero di nuovo complicato il docking.

Insomma, come al solito quando uno ci pensa a fondo quello che sembra semplice diventa complicato nello spazio…

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