Tra l’altro…
L’orografia di Cape canaveral non é poi cosí diversa da Boca Chica… Quantomeno pianeggiante, paludoso e a due passi dal mare.
Anche vero che hanno appunto costruito dei “mount” per le rampe, ma immagino abbiano scavato anche lí…
Anche la flame trench della rampa di Ariane 6 non scherza.
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ricordo le foto dello scavo per Ariane6 qualche anno fa, decisamente impressionante
L’argomento “flame trench” e rampa di lancio in generale sta ovviamente suscitando molto interesse negli appassionati. Su Reddit sono comparsi i piani di costruzione delle strutture della rampa 39B.
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Nei prossimi due post vi riporto qui mia traduzione/adattamento[1] di due lunghi thread su Twitter del Dr. Phil Metzger, che quando lavorava per la NASA era un fisico dei materiali per le rampe di lancio. Diciamo quindi che tra le tante cose lette online sull’argomento rampe di lancio in questi giorni, si tratta di un’opinione competente e informata.
Si tratta di una lettura impegnativa (forse ancheper lo spezzettamento del testo, ma ho voluto/dovuto inserire tutti i tweet originali per dare la giusta visibilità al lavoro dell’autore anche in caso di meltdown di Twitter) ma secondo me illuminante su come si affronta la progettazione non solo di un pad di lancio, ma anche di come ci si aspetta che un lander lunare si comporti. Il che risponde ad alcune domande che ci siamo posti fin qui nella discussione.
TLDR: c’è un sacco di energia da gestire, acustica e cinetica, e le cose vanno indirizzate perbene per evitare di appesantire o distruggere il razzo. Ci sono numerosi studi al proposito e Metzger ci mostra i dettagli di quanto è stato imparato con i voli del lander sperimentale Morpheus.
È evidente (questa è solo una mia opinione però, Metzger non ne da) che SpaceX abbia davvero sottovalutato l’importanza di gestire la forza dei gas di scarico del più potente razzo mai lanciato. Speriamo ne facciano tesoro e mettano mano al pad di Boca Chica e del KSC come si deve.
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Non si tratta di una traduzione letterale e alcune frasi sono state lievemente cambiate per chiarirne il contesto e la leggibilità in italiano. Segnalatemi pure eventuali grossolane inesattezze via PM. ↩︎
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Thread n.1, sulla gestione dei gas di scarico
1/ Una cosa che probabilmente si dimentica quando si costruiscono le piattaforme di lancio è la pressione del gas che risale da sotto la piattaforma. Il terreno ha una sua pressione atmosferica. Se lo scarico del razzo trova una crepa, pressurizza ancora di più il terreno sotto la rampa di lancio. Questo può arrivare a sollevare lastre di cemento.
2/ Se una lastra (di cemento) inizia a sollevarsi allora si crea una crepa più grande, e il gas che colpisce il suo bordo si ferma completamente convertendo la sua energia cinetica in altissima pressione. Questa pressione agisce proprio sulla fessura, quindi spinge ancora più gas nello spazio sotto la lastra, sollevandola ancora di più.
3/ Ogni interruzione del flusso di gas crea anche temperature elevate. Il calcestruzzo viene consumato dalle alte temperature. I granelli di sabbia e ghiaia si espandono termicamente in direzioni casuali creando micro crepe che crescono, quindi il materiale si frattura e scivola via dalla superficie a una certa velocità.
4/ Man mano che il calcestruzzo viene consumato, crea più percorsi per il passaggio del gas attraverso e sotto il calcestruzzo, e una maggiore interruzione del flusso converte più energia cinetica in calore e alta pressione, accelerando il processo. Questo può provocare il danneggiamento incontrollato del pad.
5/ Abbiamo studiato questi processi durante i test di volo del lander Morpheus al KSC. Dopo ogni volo esaminavamo il cemento e raccoglievamo i dati.
6/ Il laboratorio GMRO di Swamp Works ha costruito l’area di test. Abbiamo trascorso alcuni lunghi giorni sotto il sole della Florida trasportando a mano macerie di cemento per costruire i massi lunari simulati. Bei tempi 
7/ Il suolo lunare simulato era in realtà roccia frantumata dalla NASA KSC Crawlerway. Il Crawler ha polverizzato la roccia fluviale che costituisce il crawlerway e questa “ghiaia del crawlerway”, come la chiamavamo, deve essere periodicamente rimossa e sostituite con roccia fresca.
8/ La ghiaia del Crawlerway non assomiglia molto al suolo lunare, tranne che (illuminata da una luce, ndt) a una certa lunghezza d’onda. Il lander Morpheus utilizzava un sistema laser per mappare il terreno. I laser avevano una lunghezza d’onda specifica di 1,57 micron e la ghiaia del Crawlerway rifletteva quella lunghezza d’onda esattamente come il suolo lunare.
9/ L’abbiamo mappato anche allo Swamp Works, e dopo aver dimostrato di avere un materiale che era (A) abbondantemente disponibile e (B) compatibile col suolo lunare in quel senso, lo abbiamo selezionato per costruire l’area di test.
10/ In una delle nostre prime riunioni, ho detto al team di Morpheus che NON gli sarebbe piacouto far atterrare il loro lander sulle ghiaie del Crawlerway, qui sulla Terra. Atterrare sulla regolite lunare è molto più sicuro che atterrare sulla regolite sulla Terra. Il comportamento dei gas di scarico sulla luna è mostrato qui di seguito (foto nel tweet).
11/ Perché sulla Luna, nel vuoto, il gas si diffonde all’esterno e non scava un cratere sulla linea centrale, mentre nell’atmosfera terrestre è focalizzato come uno “scavatore di buche” che può creare un geyser di terra e rocce che risalgono verso l’alto, verso il razzo.
12/ Quindi ho raccomandato di “nascondere” lastre di cemento appena sotto la superficie della ghiaia del Crawlerway nei punti dove volevamo far atterrare Morpheus. In questo modo il getto di gas avrebbe proiettato le polveri sottili e detriti orizzontalmente, come un allunaggio ma senza un geyser che sparasse verso il razzo.
13/ Ecco un bellissimo video del volo di Morpheus. Guardate come il sistema laser scansiona l’area di test. Trova la zona di atterraggio più sicura e vola verso di essa per l’atterraggio. Abbiamo nascosto i blocchi di cemento sotto i due punti più sicuri in modo che li trovasse sempre.
14/ Durante ogni atterraggio abbiamo raccolto dati in video sugli effetti del pennacchio, alcuni dei quali erano inclusi in questo video, e dopo che il veicolo era stato messo in sicurezza, andavamo sulla piattaforma di atterraggio per misurare e documentare il danno alla lastra di cemento.
15/ Riguardo a Morpheus, in quel video (13° tweet) notate come il pennacchio durante il lancio esce da un solo lato. Non è stato così per i primi voli, ma abbiamo avuto un incidente che ci ha imposto di modificare l’operazione di lancio.
16/ Al momento del lancio, il veicolo si è capovolto lentamente, poi si è schiantato al suolo ed è esploso. Questo è stato un guasto dell’unità di misurazione inerziale, probabilmente perché un connettore si è allentato a causa delle forti vibrazioni acustiche del lancio. Le superfici di lancio piatte non aiutano in questo senso.
17/ Quindi, tra vari altri miglioramenti, abbiamo apportato modifiche alla rampa di lancio per ridurre l’impatto acustico dei gas di scarico. Sono stato PI di un sottoprogetto per progettare e costruire una fossa antincendio portatile per convogliare l’energia acustica. Qui lo stavo ispezionando.
18/ L’abbiamo realizzata in acciaio, progettandola in modo da poter tagliare il cemento e posizionarla al suo interno. Ecco perché il pennacchio di gas fuoriesce solo da un lato durante il lancio, ma negli atterraggi il pennacchio e il materiale espulso esplodono in tutte le direzioni.
19/ Ci sono stati altri casi in cui abbiamo dovuto studiare problemi alle rampe di lancio. Su STS-124 lo scarico del razzo ha strappato via migliaia di mattoni dal lato della flame trench, frantumandoli e lanciandoli a un paio di chilometri di distanza, Fortunatamente il pad è stato progettato per incanalarli.
20/ Ma non eravamo sicuri se l’Orbiter non ne fosse stato colpito. Dovevamo scoprire se era sicuro per gli astronauti atterrare. Abbiamo iniziato a fare simulazioni dei getti di gas di scarico per vedere dove sarebbero esplosi i frammenti. Avevamo bisogno di conoscere le dimensioni dei frammenti da usare in quelle simulazioni.
21/ @Ryan_N_Watkins era il mio stagista al GMRO Lab (non ancora lo Swamp Works). Le ho chiesto di allestire un sito di “scavo archeologico” sulla rampa di lancio e misurare le dimensioni e la massa di ogni frammento nel suo sito. Qui vedete Ryan che raccoglie i dati con il nostro collaboratore John Lane.
22/22 Le piattaforme di lancio e atterraggio sono permalose. Ogni piccola cosa che va storta può causare un effetto domino che porta a un problema enorme. Questo perché si sta cercando di smaltire in sicurezza una quantità enorme gas ad altissima energia per lanciare un razzo verso lo spazio. Spero che questa storia lo abbia reso interessante🙂
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Thread n.2, sulla gestione dell’energia acustica
Abbiamo usato lastre di acciaio per alcune delle postazioni di lancio di Morpheus, quindi non eravamo costretti a usare solo zone con superfici in cemento. Ho analizzato il riscaldamento della piastra metallica e ho dimostrato che il calore si ridistribuiva abbastanza velocemente da non fonderne la superficie localmente, e… /1
…che la piastra d’acciaio era abbastanza grande da assorbire il calore dell’intero evento di lancio senza fondersi. Per essere prudenti (perché è ciò che fa la NASA 
) stendevamo anche una vernice ablativa sulla parte superiore dell’acciaio. Un ablativo si erode sotto l’azione del calore, e quindi consuma una parte di quel calore…
3/ …preservando ciò che era al di sotto dello strato protettivo ablativo. (In parte stavamo solo testando l’uso dell’ablativo. Non è stato solo la prudenza a motivarlo) Quindi confrontiamo questo con il tweet di Elon su Starship. Hanno in programma di raffreddare ad acqua la loro gigantesca piastra d’acciaio. In questo modo non deve…
4/ … essere abbastanza grande da assorbire tutto il calore degli esausti senza fondere, come abbiamo fatto noi progettando le piastre d’acciaio per Morpheus. Per un razzo così grande la quantità di acciaio richiesta sarebbe esageraeta. E la vernice ablativa non basterebbe a risolvere il problema. Lo strato ablativo dovrebbe essere spesso 3 piedi (circa 1 metro, ndt) ?!!
5/ Ma lui (Musk, ndt) ha detto che sarà raffreddato ad acqua, il che è un’idea fantastica. L’acqua rimuoverà in tempo reale il calore dall’acciaio in modo che non si fonda. Semplice, e dovrebbe essere efficace.
6/ (Tornando a parlare di Morpheus, ndt) Noi avevamo ancora due preoccupazioni. La prima era che l’ablativo vaporizzato potesse essere pericoloso da respirare, ma gli esausti del razzo lo avrebbero diluito nell’atmosfera, quindi nessun problema. (Ho dovuto comunque dimostrarlo con la matematica per convincere il team). Il secondo era che la piastra (di acciaio, ndt) poteva essere troppo calda per camminarci sopra…
7/ …quindi si doveva aspettare che si raffreddasse prima di salire sul pad. Abbiamo gestito il tutto con procedure operative. Quindi avevamo le piastre d’acciaio, la flame trench d’acciaio, strumentazione come telecamere per registrare il lancio e l’illuminazione. Abbiamo chiamato questo sistema…
8/ …“Piattaforma di lancio in scatola”. Questo concetto è stato ispirato in parte a quando stavo guidando verso il Maine e sono passato davanti a una giostra ripiegata su un camion che scendeva lungo l’autostrada. Ho avuto una visione di un intero complesso di lancio ripiegato su un camion per il trasporto, in modo da poter essere lanciato ovunque e in qualsiasi momento.
9/ Ci siamo procurati una foto di quel tipo di camion e l’ho mostrata al team di Swamp Works. Penso che Rob Mueller avesse già la stessa idea. Lui e io abbiamo iniziato a lottare per farci finanziare l’idea. Riunioni, riunioni, riunioni. E abbiamo ottenuto i fondi.
10/ Stavamo già lavorando a queste tecnologie quando le abbiamo applicate a Morpheus. I due progetti erano sinergici. Abbiamo anche parlato di torri parafulmine portatili, ma non abbiamo mai sviluppato quella parte del kit.
11/ Quindi tutto questo era solo per dire che mi piace l’idea che SpaceX sta perseguendo. Penso che funzionerà alla grande per risolvere il problema dell’erosione da gas di scarico.
Ma non mitigherà l’impatto acustico del lancio. La piattaforma piatta rifletterà il suono lungo i lati del veicolo, scuotendo la struttura.
12/ Il primissimo “suono” che si verifica al momento del lancio è l’onda d’urto dell’accensione del motore. Rimbalza sul pad e poi corre lungo i lati del veicolo, stressandone tutta la struttura. Alla NASA si chiama “Initial OverPressure” o IOP. L’IOP ha quasi compromesso il primo lancio dello Shuttle.
13/ Il motivo per cui c’è un’onda d’urto è perché un ugello convergente-divergente incanala il flusso di gas in modo che diventi supersonico. Il propellente brucia nella camera di combustione e crea un’alta pressione. La costrizione alla gola del motore accelera il gas alla velocità del suono.
14/ Man mano che si allontana dalla gola si espande, si raffredda e accelera fino a diventare supersonico. Ma inizialmente deve spingere l’aria ambiente fuori dall’ugello. Il flusso supersonico investe l’aria dell’ambiente mentre la spinge, creando un grande accumulo di pressione… lo shock di accensione.
15/ Quell’onda d’urto viene spinta lentamente verso il basso nell’ugello (“lentamente” significa una in una frazione di secondo). All’estremità dell’ugello si stacca, poi continua a scendere e colpisce la rampa di lancio. Quindi viene riflessa e torna indietro, verso il razzo, correndo lungo i suoi lati, scuotendone la struttura.
16/ Al primo lancio dello Space Shuttle, l’IOP ha deviato gli elevoni - le superfici di controllo sulle ali - a tal punto che gli ingegneri erano preoccupati che si fossero rotti. Quindi hanno aggiunto il sistema a " diluvio d’acqua" per assorbire e rompere l’onda d’urto IOP.
17/ Dopo l’IOP, lo scarico del razzo continua a produrre rumore acustico. Lo fa attraverso la turbolenza. Il rumore è casuale, non è più un’onda d’urto coerente, ma è comunque molta energia che si riflette sul pad e fa vibrare il razzo.
18/ Non abbiamo buoni modelli di come si comporti il rumore acustico nei gas di scarico dei razzi. I modelli della NASA sono prudenti, prevedendo più rumore di quello che realmente c’è. Pertanto costruiamo strutture dei razzi più rigide di quanto debbano realmente essere. Ciò spreca il margine di massa, riducendo la massa del carico utile.
19/ Quindi è importante continuare la ricerca sull’acustica dei gas di scarico dei razzi, per rendere i razzi più efficienti. Ma è anche importante progettare rampe di lancio per ridurre l’acustica in modo da poter risparmiare più margine per il carico utile.
20/ Nel thread precedente ho raccontato come abbiamo progettato la trincea antincendio portatile per Morpheus per convogliare l’energia acustica lontano dal veicolo, perché pensiamo che l’energia acustica sia ciò che ha distrutto il primo Morpheus.
21/ Quindi non ho idea dell’acustica sperimentata da Starship o della sua robustezza strutturale. Potrebbe non essere affatto un problema, per quanto ne so. Sto solo dicendo che una piastra piatta in acciaio non fa nulla per l’impatto sul veicolo dell’energia acustica.
22/ Se il razzo può sopportare quelle vibrazioni, allora va bene. Ma è facile progettare sistemi che riducano l’acustica del lancio e restituiscano più margine al veicolo, quindi se SpaceX decidesse di farlo allora si potrebbe fare. Fine 
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In pratica: se mi volete, sono qui. Interessanti spunti
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Marco grazie per il lavoro di traduzione.
È molto importante per chi ci segue, magari solo sporadicamente, trovare le informazioni in italiano.
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Grandissimo lavoro, grazie!
Quindi la lastra di acciaio raffreddata ad acqua anche a parere di Metzger sembra essere un’ottima soluzione, perche’ distribuire il calore per pura conduzione nel caso di SH richiederebbe una quantita’ immensa di metallo.
Osservazione mia, camera di combustione e nozzle dei motori sono raffreddate a fluido, in effetti questa soluzione in un certo senso e’ speculare a quanto avviene nei motori. Con la differenza che le masse e soprattutto quantita’ e qualita’ del fluido di raffreddamento sono molto meno vincolate.
Mi rileggero’ ancora le analisi di Metzger, in effetti questo e’ un aspetto dell’astronautica che ha ricevuto meno attenzione di altri anche dagli appassionati, e ci volevano le immagini dei macigni scagliati nel Golfo del Messico per creare interesse. Forse non e’ un collo di bottiglia, semplicemente e’ un problema che va gestito.
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Secondo Metzger la piastra di metallo NON è un’ottima soluzione. Dice che è molto buona l’idea del raffreddamento ad acqua perché riduce di molto lo spessore del metallo necessario, ma che lo stress acustico va gestito in altro modo. La piastra servirebbe per evitare che i gas entrino nel cemento soffiandolo via da sotto.
A proposito di raffreddamento ad acqua, ricordo una intervista a Mauro Forghieri in cui diceva che all’epoca che fu (mi pare 72) capirono di aver sbagliato la portata della pompa dell’acqua del 12 cilindri a V di 180° perché di formavano microbolle di vapore che causavano cedimenti per riscaldamento locale e quello che adesso chiameremmo vapor lock.
Qui si parla di asportare alcune decine di MW a metro quadrato, un carico termico formidabile che mi spaventa pensare di asportare con acqua.
Se intende raffreddare la piastra con un “lago” di acqua è una cosa, se la piastra ha dei condotti per il raffreddamento… è una bella avventura!
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Provo a fare un riassuntino che sicuramente sara’ fallato, ma se aiutate a correggerlo penso possa essere di aiuto a molti di noi per capire.
Lo stress acustico, altrimenti detto onde d’urto, si muove in linea retta e viene riflesso come un suono molto concentrato (perche’ lo e’… chiedo perdono per la semplificazione).
Si tratta di un fenomeno molto diverso dal flusso di gas ad alta temperatura e, in base a quanto letto qui e altrove, il problema delle onde d’urto e’ piu’ complicato da gestire, per questo qualcuno non e’ d’accordo con la terminologia flame trench o flame diverter, perche’ non e’ solo questo il loro scopo.
Ora, da non esperto sarei portato a pensare che per entrambi i fenomeni sarebbe utile una superficie fortemente inclinata sotto agli esausti. Le onde d’urto vengono riflesse altrove, gli esausti vengono deviati altrove.
Pero’ li sotto lo spazio non c’e’, non si puo’ scavare perche’ e’ un aquitrino e, questioni ambientali a parte, manufatti vuoti di quelle dimensioni galleggerebbero. Per contro non si puo’ sopralzare ulteriormente il veicolo di molto per ovvie ragioni.
EM non ha lasciato filtrare nulla sulla geometria di tale piastra di metallo raffreddata ad acqua… forse non dobbiamo dare per scontato che sarebbe una superficie orizzontale? E se fosse inclinata o con una cuspide centralo o altra forma opportuna risultato di calcoli e analisi?
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Questo è il launch mount del primo vero razzo al mondo, la V2… Si vede bene che il problema era chiaro sin dal primo giorno….
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In estrema sintesi.
| Problema | Possible soluzione/i |
|---|---|
| Gestione energia cinetica gas di scarico | Deviatore di fiamma / flame trench |
| Gestione energia acustica | Sound Suppression System / Water deluge |
In pratica la soluzione “perfetta” è costruire una flame trench con sound suppression system.
Metzger spiega i dettagli del primo problema nel primo thread che ho tradotto, e il secondo nel secondo.
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Il problema emerge sin dagli albori dell’astronautica se è vero che persino Hermann Oberth fa lanciare il razzo bistadio “Friede” da una vasca d’acqua nel film di Fritz Lang “Die Frau im Mond” del 1929. Un primitivo water suppression system in pratica.
Mentre, come giustamente fa notare @Aleph von Braun ed il suo gruppo di Peenemunde realizzano un primitivo flame diverter di forma prismatica al disotto delle rampe di lancio del razzo A4/V2.
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La notevole costruzione del pad 39A del KSC.
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Auguri a Marco !!!
Una domanda: alle elementari il maestro ci aveva detto che utilizzare l’acqua per spegnere un incendio di grosse dimensioni poteva invece ottenere un effetto paradossalmente inverso se il calore scindeva le molecole d’acqua in ossigeno e idrogeno…
La fiammata gigantesca di 33 Raptor non potrebbe attivare qualcosa di simile ???
Se vuoi spegnere il sole con l’acqua sicuramente non porti a casa il risultato, per il resto https://en.m.wikipedia.org/wiki/Water_splitting
Grazie !!! Molto esaustiva la risposta.
Quindi non ci sono rischi…