Interessante critica allo Shuttle originale riutilizzabile.

Su http://astronautix.com/Mambo/ ho trovato un interessante critica all’originale progetto dello Shuttle .Si è sempre detto che con un orbiter con un sistema di lancio interamente riutilizzabile tutti gli attuali problemi non sussisterebbero.Secondo l’autore dell’intervento postato più sotto invece se si fosse seguita questa strada il programma sarebbe stato chiuso negli anni 80! E’ una critica sensata dal punto di vista tecnico? mi piacerebbe sapere che ne pensate.

“Everything would have been OK if NASA had only been allowed to develop the 100% recoverable two-stage original shuttle design instead of the compromised partially-recoverable design. One can assuredly say that if the 100% reusable shuttle had been built, the program probably would have been cancelled in the 1980’s. The SSME shuttle main engine was supposed to be 100% reusable, good for ten missions without inspection and 50 missions between overhauls. Instead it turned out to have a shorter component life than the ‘expendable’ F-1 and J-2 engines of the Saturn V that it replaced, and require 100% inspection and repair after each mission. The compromised shuttle design that flew used only three of these engines. The 100% recoverable monsters used 14. The SSME’s have flown 345 times (counting three per mission) and experienced problems resulting in engine shutdown 2 times (not counting pad aborts). That means that the 14-engine design would be experiencing an engine shutdown in 8% of the missions. Can anyone imagine the expense, the headaches, the failure modes, the unending billions that would have been expended in trying to solve such problems”?The reusable design had other severe problems. NASA’s foam problems are at least partly related to fuelling and defuelling the main tank several times in tests or scrubbed launches prior to the real thing. Each fuelling cycle brings the tank and its insulation down to -259 deg C, then back to Cape Canaveral local temperature and humidity. These thermal cycles cause expansion and contraction of the metal, freezing and unfreezing of humidity in foam voids. This cannot be avoided. What kind of problems would a 100% reusable shuttle have in going through 100’s of fuelling and defuelling cycles? Add to that re-entry cycles with a hot structure after landing? What kinds of metal or insulation failure problems would all of these contraction and expansion cycles create? It is hard to believe that this would not have been a major problem, requiring replacement of the entire booster or orbiter at regular intervals.

Then there is the heat shield issue. The orbiter of the fully-recoverable design would have been had a much lower density on re-entry due to the volume of the empty hydrogen tanks. This would have lowered the load on the orbiter’s heat shield, making the engineering problem less acute. But the design NASA favored still used the same heat tiles selected for the orbiter design that flew. NASA imagined that these could be standard and glued onto the lower wing surface like bricks. It turned out, for aerodynamic reasons, each of these 27,000 tiles had to be individually shaped and machined. The problems with this heat shield design are, and remain, one of the main issues of the shuttle program. Now for the fully recoverable design, the under wing surface would have been four times greater - and the number of tiles, and the problems, that much more. This alone would have resulted in the cancellation of the fully recoverable design.

Finally, the 800 pound gorilla in the recoverable designs were the abort scenarios. The booster and orbiter were designed for vertical takeoff, and then to fly back to base after they had consumed their propellant. In case of an abort on the way to orbit, they would have to be flying with most of their propellant aboard. In abort scenarios this would have to mean wing loadings many times the design loads - undoubtedly the wings would have snapped off. This is not even to mention the problems with separation of the piggy-back vehicles in the case of max-Q or other aerodynamic loads or conditions except for the optimum design conditions for separation.

Finally, these spacecraft would have the same fundamental problem as the shuttle, being designed using the same technology and design margins, meaning even if the several-times-worse SSME and tile problems could be overcome, they would still also fail around 1% of the time. And like the shuttle, they had no provision for crew escape, and therefore would have been just as deadly.

So in retrospect the shuttle design that was chosen was indeed the correct one, at least in comparison to the fully recoverable design. What all of these reflect is the hubris of NASA at the time of the shuttle decision. NASA believed that their reliability engineering process would make rocket technology that had only hundreds of hours of operating time behind it, as reliable as aircraft technology, that had millions of hours of operating time and corrective action, and higher design margins. This belief was the triumph of hope over reason. The high success rate of a dozen Saturn launches had lulled NASA into a false sense of confidence in the maturity of the technology.

Considerazioni molto interessanti. Mi ha colpito, in quanto non l’avevo minimamente considerato, il problema della massa in caso di aborto in ascensione, con ancora tutto il carburante a bordo. Non che lo shuttle in uso sia comunque molto più sicuro in tale circostanza, ma teoricamente ha superiori possibilità di salvezza. Le previsioni sul riutilizzo senza manutenzione completa per ben 10 voli erano del tutto irrealistiche, soprattutto considerando il problema serbatoi/carburante… Non parliamo poi delle tessere del rivestimento, che hanno ampiamente dimostrato la loro delicatezza. Riguardo ai motori sarei più possibilista, penso che la ridondanza avrebbe potuto tamponare eventuali problemi anziché aumentarli. In definitiva mi trovo sufficientemente concorde con l’autore dell’articolo.

Salute e Latinum per tutti !

L’autore dell’intervento dice alcune cose sostanzialmente corrette da un punto di vista tecnico, cionondimeno non sono completamente d’accordo con lui sulle conclusioni.

Come già scritto in più occasioni (anche da altri) l’attuale design dello Shuttle è frutto di una serie di compromessi al limite del conciliabile. Compromessi che hanno generato una configurazione “ibrida” tra il recuperabile ed il tutto a perdere.

Ciò che rende davvero problematico l’utilizzo dello Shuttle è la combinazione di due fattori:

  1. Economico, lo Shuttle attuale ha una stiva sovradimensionata (dietro insistenze dell’USAF) che ha volato quasi sempre vuota, ed il cui volume ha imposto un sistema di protezione termica più esteso (e pesante).

  2. Sicurezza, ciò che rende davvero pericolo lo Shuttle attuale sono i due SRB che una volta accesi non possono più essere spenti per 2 minuti e 30 secondi (guarda caso proprio durante il raggiungimento del Qmax). La perdita di foam dall’ET non fa che aggravare la situazione…

Lo Shuttle tutto recuperabile proposto all’inzio degli anni '70 avrebbe senz’altro avuto i suoi problemi, ma non questi. L’orbiter avrebbe avuto una stiva molto più piccola e quindi meno sproporzionata rispetto alle reali esigenze di mercato.

Per quanto riguarda l’aspetto legato alla sicurezza uno Shuttle recuperabile avrebbe potuto, grazie al massiccio uso di SSME, spegnere la propria fase di spinta in qualunque momento del volo. Vi ricordo che ciò che ha realmente distrutto il Challenger non è stato l’effetto dell’esplosione dell’ET, quanto un cedimento strutturale catastrofico dovuto alla repentina separazione dal complesso SRB/ET durante la fase di Qmax.

Inoltre il rivestimento del Booster sarebbe sicuremente stato diverso da quello dell’ET. A tal proposito si è sempre scritto riguardo il miglior margine di sicurezza del Buran rispetto allo Shuttle dovuto proprio all’utilizzo dell’Energia e dei suoi boosters a propellente liquido. Ebbene uno Shuttle complentamente riutilizzabile si sarebbe potuto assimilare alla combinazione Buran/Energia con un Energia recuperabile al posto di quello a perdere.

In sostanza, a mio parere, sembra che lo Shuttle recuperabile sia sempre migliore dell’ibrido (tra l’altro pensiamo anche agli spinoff, l’avere un booster pilotato che vola a mach 5/6 avrebbe aperto la strada agli ipersonici commerciali con largo anticipo), ciò che non lo ha reso possibile sono stati i più elevati costi di progettazione ed implementazione del sistema. Ma alla lunga quest’effetto sarebbe stato smorzato da costi operativi più contenuti e da un margine di sicurezza più elevato.

Come dice un vecchio proverbio napoletano (tradotto s’intende): “Il risparmio non è mai guadagno”…