Nuovi vettori: perché ancora veicoli alati?

Non essendo un ingegnere aerospaziale, c’è qualcosa che mi incuriosisce nel dibattito sui nuovi vettori e veicoli generate dall’attuale progetto NASA di esplorazione umana lunare.

Perché, nonostante gli insuccessi dello Space Shuttle e i successi Apollo/Soyuz, vengono ancora proposti navette e veicoli alati di varie forme e dimensioni? Quali sono i loro vantaggi, o le caratteristiche che li rendono adatti a questo tipo di missioni con equipaggio? Quali eventuali sviluppi tecnologici dall’era Apollo/Soyuz hanno contribuito a ridurre gli svantaggi dei veicoli alati?

Paolo Amoroso

Per sfruttare la “portanza” generata dalle ali. Comunque è meglio se specifichi a quali progetti ti riferisci.
L’attuale navetta USA sfrutta le ali all’atterraggio, in modo da farla posare su una comoda pista aeronautica in prossimità di centri idonei a raccoglierla, mentre la Soyuz atterra da qualche parte in Siberia e l’atterraggio spesso è piuttosto violento. Peggio ancora con le vecchie capsule USA che scendevano in mare.
Le ali sono utili nelle prime fasi del decollo, quando si potrebbe usare la spinta di normali propulsori aeronautici per portare il veicolo ad alta quota come nel progetto Sangher. Raggiunta la quota il veicolo spaziale vero e proprio si stacca e con i suoi propulsori raggiunge l’orbita, mentre l’altro atterra come un normale aereo ed è pronto per il volo successivo, mentre il razzo che oggi porta in orbita le Soyuz è interamente a perdere. Al momento comunque un razzo a perdere costa meno di uno shuttle, ma solo perché lo shuttle è rimasto un prototipo e non ha avuto evoluzioni e drastici miglioramenti come previsto in origine.
Anche se il nuovo progetto Orion per capsule abitate è tornato al razzo a perdere, l’idea della navetta ed in particolare il progetto Sangher sono ancora l’alternativa ideale, sebbebe tale alternativa richieda lo sviluppo di tecnologie ancora non disponibili.
Ciao.

Sottoscrivo la risposta sintetica ma completa di Ares Cosmos rimettendo in evidenza la questione dei costi (in prospettiva) più bassi dei veivoli alati.

Comunque un po’ di info in più su vantaggi e svantaggi delle diverse configurazioni le puoi trovare su http://staff.marscenter.it/tempesta/, sezione “Veivoli completamente riutilizzabili”

Sottoscrivo in pieno il pensiero di Ares e Buran, con la piccola differenza che ritengo (al momento) maggiormente fattibili, ed economicamente sostenibili, i “corpi portanti” lanciati da un vettore tradizionale a perdere.

Oppure in alternativa un corpo portante messo in orbita da un primo stadio alato ed accelerati da un secondo stadio riutilizzabile o a perdere, in configurazione TSTO (Twin Stage To Orbit).

Come questo interessante “concept” ideato dalla Lockheed-Martin verso la fine degli anni '90 e (putroppo) non concretizzatosi…

Comunque è meglio se specifichi a quali progetti ti riferisci.

Non mi riferivo a progetti specifichi, ma la tua esauriente risposta riassume alcuni casi che avevo in mente.

Grazie,

Paolo Amoroso

"corpi portanti"

E` questa la traduzione italiana di “lifting body”? Vorrei discutere le traduzioni italiane più appropriate di alcuni termini astronautici inglesi, ma non ho ancora capito quale sia il forum più adatto.

Paolo Amoroso

"corpi portanti"

E` questa la traduzione italiana di “lifting body”?

Corretto
Vai su
http://www.marscenter.it/ita/veicol.asp?pa=6022

L’idea di corpo portante risale alla metà degli anni '50.
Il corpo portante è un apparecchio che tramite la sua forma aerodinamica genera una portanza e quindi, contrariamente alla capsula, può volare nell’atmosfera più o meno come un comune aereoplano.
Si distingue da uno spazioplano come lo Shuttle dal fatto che lo spazioplano genera la portanza tramite le ali, mentre in genere il corpo portante non ha ali.
Comunque spazioplani e corpi portanti sono imparentati, quindi le considerazioni sui corpi portanti sono valide anche per gli spazioplani.

Uno degli spazioplani più eleganti è, a mio parere, quello della figura 0.

Il corpo portante rispetto ad una capsula offre 3 vantaggi :
1 - una minore decellerazione in fase di rientro,
2 - la possibilità di cambiare rotta una volta rientrato nell’atmosfera,
3 - la possibilità di atterrare orizzontalmente, su una normale pista di volo.

Il corpo portante decellera meno rapidamente nel rientro in atmosfera perchè ha una forma più aerodinamica rispetto alla capsula.
Quindi genera meno attrito con l’aria e il suo scudo termico è meno sollecitato.
Già i primi studi fatti dalla NASA, negli anni '50, confermavano che la decellerazione al rientro di una capsula sarebbe stata di 8,5g mentre quella di un corpo portante si sarebbe assestata a soli 2g.
Inoltre una capsula, una volta rientrata in atmosfera, non genera alcuna portanza aerodinamica, quindi non può far altro che cadere verticalmente frenata da paracadute.
Al contrario, un corpo portante a causa del flusso dell’aria sul suo dorso (figura 1), genera una portanza sufficiente a garantire la manovrabilità necessaria all’atterraggio su una pista o in altro luogo prestabilito.
In figura 2 ho riportato il confronto tra le capacità di manovra di una capsula, praticamente inesistenti, e quelle di un corpo portante come l’HL-10.

Se questi fatti erano già noti sin dagli albori dell’era spaziale, perchè si è deciso di utilizzare delle capsule per i viaggi spaziali?

Vi sono diverse ragioni.
La prima è che agli inizi non c’erano lanciatori sufficientemente potenti per il lancio di un corpo portante.
Infatti la forma del corpo portante aggiunge un peso non irrilevante alla struttura che deve entrare in orbita.
Tanto per dare un’idea si è calcolato che uno spazioplano dovrebbe pesare circa il 10% in più rispetto ad una capsula con la stessa capacità di carico.
La seconda è che non c’era ancora un’esperienza sufficiente : il corpo portante è molto più complicato di una capsula.
La terza è che l’atterraggio orizzontale di un corpo portante avviene ad una velocità sostenuta, superiore a quella di un comune aereoplano, e quindi è piuttosto pericoloso.

In effetti la NASA sviluppò un progetto di corpo portante, l’X-20 Dyna-Soar, ma poi lo accantonò.
Altri esperimenti con forme più primitive di corpi portanti come l’HL-10 riguardarono solo il volo atmosferico.
Terminata l’esperienza delle capsule alla metà degli anni '70, la NASA riconsiderò il progetto Dyna-Soar : nella figura 3 ne è illustata una possibile variante.
Ma poi per una serie di ragioni si scelse di progettare uno spazioplano come lo Shuttle.
La ragione principale è probabilmente dovuta al fatto che si voleva un veicolo che fosse quanto più possibile riutilizzabile.
Mentre del corpo portante sopravvive e viene riutilizzata solo la parte che rientra in atmosfera, nel caso dello Shuttle solo il serbatoio esterno è perduto.
Le figure 4 e 3 possono dare un’idea quantitativa di come sarebbero andate le cose se si fosse operato diversamente.
In questo caso si sarebbero potute coniugare la semplicità dei lanciatori a perdere con la riutilizzabilità della capsula.
Cosa che adesso la NASA stà cercando di ottenere col progetto CEV - Ares 1.

Un progetto ancora più ambizioso di quello dello Shuttle è stato quello di uno spazioplano completamente riutilizzabile.
Per far ciò si sarebbe dovuto inglobare il serbatoio esterno dello Shuttle all’interno della fusoliera dello Shuttle, che ovviamente in questo caso avrebbe dovuto essere più grande.
La figura 5 illustra in maniera suggestiva come si sarebbe potuto procedere.
Mentre la figura 6 è uno studio della NASA che esemplifica di quanto le dimensioni dello Shuttle avrebbero dovuto essere maggiorate.
La forma più grande è quella di uno Shuttle con i serbatoi interni.
La forma più piccola è lo Shuttle con i serbatoi esterni (è quella che è stata scelta).
E la forma intermedia è quella dello Shuttle con il serbatoio dell’ossigeno liquido interno.
L’idea di inglobare il serbatoio esterno ha il vantaggio di poterlo riportare a Terra e di poterlo riutilizzare, ma ha lo svantaggio che si deve portare in orbita un carico inutile.
Quindi il carico utile è inferiore, dovendo scontare il peso del serbatoio.
Tuttavia c’è anche un altro vantaggio che consiste nel fatto che il peso dello spazioplano al decollo è in asse con la spinta dei motori, mentre nel caso dello Shuttle il peso è sbilanciato dato che il serbatoio “pende” tutto da una parte.
Questo fatto indubbiamente complica parecchio la dinamica del volo.

Di nuovo la NASA con la fine dell’esperienza degli Shuttle ha ripreso gli studi sullo spazioplano completamente riutilizzabile.
Sono state compiute diverse esperienze con un prototipo, l’X-33 (Venturestar).
Al fine di migliorare le prestazioni dello Shuttle si è agito su tre fronti :
1- alleggerire la struttura tramite l’uso di materiali compositi,
2- migliorare l’aerodinamica,
3- utilizzare motori di nuova concezione.

Il Venturestar (figura 7) può essere reso più leggero rispetto allo Shuttle, perchè la sua forma più aerodinamica genera più portanza.
In tal modo il veicolo può cominciare a decellerare meno bruscamente durante la fase di rientro, riscaldandosi meno di quanto non si verifichi su un veicolo più compatto come lo Shuttle (figura 8).
Così la necessità di proteggere la struttura con un rivestimento isolante è più ridotta, il che permette di impiegare materiali termoresistenti di maggiore durata e di minor peso.

Nei motori a razzo tradizionali si impiega un ugello a campana per contenere i gas di scarico e dirigerli all’indietro generando l’impulso che fà volare il missile.
Ciascuno stadio del veicolo di lancio è dotato di ugelli di dimensioni appropriate per la quota a cui è destinato a funzionare.
Infatti non è possibile costruire un ugello a campana universale che sia efficiente sia per il volo in atmosfera che al di fuori dell’atmosfera.
Il perchè è spiegato dalla figura 9a e 9b.
Ad alta quota i gas di scarico non verrebbero espansi a sufficienza nell’ugello ed uscendo da questo tenderebbero a gonfiare il flusso uscente come un pallone diminuendo gravemente l’efficienza della spinta.
Mentre lo stesso ugello a bassa quota tenderebbe a far espandere eccessivamente i gas di scarico diminuendo la loro pressione ad un valore inferiore a quello atmosferico.
Quindi i gas dell’atmosfera penetrerebbero all’interno dell’ugello staccando la corrente di gas di scarico dalle pareti dell’ugello e causando forti turbolenze.

Per costruire un motore singolo che funzioni in modo sicuro ed efficiente dal livello del mare fino al vuoto dello spazio, i progettisti, già negli anni '60, idearono una configurazione particolare.
Essenzialmente, essi rimossero metà di un tipico ugello di razzo e lo inclinarono verso l’interno, formando una sorta di rampa centrale.
Le figure 9d e 9c esemplificano il funzionamento di questo dispositivo, noto come aerospike.
Questa configurazione permette al motore di funzionare in condizioni quasi ottimali a tutte le quote.

Attualmente la NASA ha accantonato il progetto dello spazioplano poichè ha verificato che allo stato attuale dello sviluppo tecnologico non è possibile la costruzione di serbatoi sufficientemente leggeri e resistenti.

continuazione delle figure …

Che dire, Mustela Erminea, davvero un ottimo, completo e ben illustrato riassunto.
Chissà se vedremo mai volare davvero un velivolo dotato di aerospike…

Secondo me il problema principale dei veicoli alati è la loro eccessiva rigidità di missione.Quello che possono svolgere al meglio è proprio un servizio di trasporto da e per l’orbita di esseri umani e carichi modesti,ogni altro ulteriore compito ne aggrava e ne complica la struttura,infatti ancora si rimpiange il Dyna Soar e i progetti di Shuttle più contenuti nelle dimensioni e nei carichi.

Come hai evidenziato gli spazioplani si portano dietro il problema che alcune tecnologie nn sono ancora mature per un’implementazione sicura ed efficace come il problema dei serbatoi da te evidenziato,inoltre nn vi è ancora una padronanza perfetta delle dinamiche del volo ipersonico (vedi anche il progetto USV).

Inoltre allo stato attuale delle cose si vuole partire da un progetto di base,come l’Orion o la Soyuz nella versione “ferry” o progetti di corpi portanti come l’Aries per poi,tramite l’aggiunta di qualche componente,far svolgere a queste astronavi missioni per la luna ed oltre.Questa architettura elimina di fatto gli spazioplani,in quanto nello spazio una struttura fortemente aerodinamica nn servirebbe la dove vi è assenza di atmosfera (il professor Colombo riteneva che questa fosse una concezione progettuale troppo legata all’ambiente terrestre).

Sicuramente nel futuro (40,50 o più anni?) vi saranno navette alate per portare astronauti in orbita e da qui questi prenderanno delle navi spaziali totalmente concepite per l’ambiente spaziale (d’altra parte anche tu hai suggerito ad Artax per la tesina sul progetto di satellite che una struttura da assemblare in orbita eliminerebbe parti strutturali create solo per il breve lasso di tempo di permanenza del satellite sulla Terra).

In conclusione ritengo che attualmente sia impossibile gestire dal punto di vista dei finanziamenti due programmi per esempio navetta ferry alata per l’orbita, Orion per la luna e oltre,e questa secondo me è la causa che ha portato fuori scena lo spazioplano.

Ragazzi,ho un momento di amnesia.Quale era la “bibbia dello Shuttle”,il libro dei libri con tutta la storia della navetta delle sue configurazioni e dei (tanti) progetti alternativi? Vorrei ordinarla su Amazon quanto prima.

“SPACE SHUTTLE” di Dennis R. Jenkins.
Vedi qui: http://www.forumastronautico.it/deletedlink.php?trashparam=jenkins&t=193

:kissing_heart:

In realtà, i costi fallimentari dello Shuttle non sono dovuti al fatto che sia uno spazioplano, quanto al fatto che sia un mancato SSTO (single stage to orbit), ovvero un vettore completamente riutilizzabile capace di fare almeno 50 lanci all’anno. Un vero SSTO avrebbe rischiesto tecnologie più costose come ugelli ad aerospike (taglato per motivi di bilancio) e serbatoi in compositi avanzati forse al limite della tecnologia anni 70. Comunque il progetto Shuttle seguì le regole dell’assegnazione di fondi pubblici, che richiedono un costo iniziale relativamente basso, per avere l’approvazione del congresso, e costi di gestione faraonici, perché una volta che la macchina burocratica si è messa in moto non si può più fare marcia indietro per non fare brutta figura…

Quanto all’Orion, non credo che sia veramente utile rifare una versione un po’ modernizzata del Saturno V. Tanto non è coi razzi chimici, tanto meno a se a stadi che colonizzeremo lo spazio.
Piuttosto sarebbe stato molto più utilse spendere quei danari in ricerche e sviluppo per nuove tecnologie.
Per esempio l’Air Ugmented Rocket sembrerebbe una tecnologia promettente per un vettore orbitale ceonomico che sia un vero SSTO

http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT2002/5000/5880trefny.html

sempre per restare su propulsori convenzionali. Se poi invece vogliamo spingerci un po’ oltre dovremmo necessariamente andare sul nucleare.

Un saluto
Quaoar

Amen.

Non capisco, parli di vettori per immissione in orbita o di propulsori per lo spazio? Dal tuo discorso sembrerebbe la prima, ma allora in che senso intendi il nucleare? Che genere di propulsori “nucleari” possono mai essere usati per i vettori?

I propulsori chimici continueranno a caratterizzare le missioni umane e automatiche interplanetarie (sperando che ce ne siano di umane :stuck_out_tongue_winking_eye:) per i prossimi venti-trenta anni almeno… Pur essendoci le tecnologie per una propulsione primaria a fissione nucleare (si pensi solo all’ormai vecchio progetto NERVA, ma sempre attuale nei suoi principi fondamentali, oppure ai progetti russi) non penso ci siano ancora le volontà politiche dei vari governi per permettere un liftoff mediante un propulsore atomico. Potrebbe ipotizzarsi un decollo tramite propulsori chimici, con i consueti boosters di accelerazione, ma con eventuali stadi superiori ed immissioni su traiettorie eliocentriche tramite motori nucleari… Ad ogni modo anche in questo sistema si correrebbero notevoli rischi ambientali…

Per quando riguarda il topic, ossia i veicoli alati, sottoscrivo Ares Cosmos. :wink:

Riguardo il link proposto da quaoar il progetto è senz’altro molto interessante ma i limiti tecnologici sono ancora predominanti.
Il NASP era nato proprio con questo intento, ma ci si rese subito conto all’inizio degli anni '90 che non si disponeva ancora delle tecnologie necessarie fu quindi necessario abbandonare il progetto dell’X-30.
Solo negli ultimi anni si è riaperta questa possibilità e solo nel 2002 ha volato il primo scramjet…
Per questo non è del tutto corretto dire che per lo Shuttle si sia scelta la propulsione tradizionale per motivi politici o economici… semplicemente 30 anni fa questa tecnologia non era disponibile e probabilmente neanche oggi lo è…
Infatti rimane un utopia pensare oggi di realizzare un nuovo mezzo, tipo il CEV utilizzando questi propulsori che sono ancora allo stadio di prototipi “di prototipi”…
Concordo con AJ, per almeno altri 20-30 si utilizzeranno tecnologie tradizionali perchè non esistono alternative, e sono alternative poste da limiti tecnologici (calcolo, materiali…) e non da scelte politiche o economiche…
Riguardo i finanziamenti per la ricerca non è neanche vero che non ci siano perchè sono in molti a tentare qualche cosa sia negli USA sia nel resto del mondo… ma ad ennesima dimostrazione sono ancora solo timidi tentativi…
Basti pensare che l’unico scramjet americano X-43 ha volato con spinta autonoma per meno di 10sec. stessa cosa più o meno per il progetto Anglo-Australiano Hyspot, per entrambi la spinta prodotta non è ancora nemmeno sufficiente ad accelerare il mezzo.
Attualmente non si è neanche sicuri si possa raggiungere la velocità orbitale (Mach 25) con un solo motore scramjet ma probabilmente è necessario un utilizzo in parallelo di un propulsore tradizionale.
I test sull’X-43 hanno posto come limite teorico raggiungibile per un propulsore di questo tipo Mach 17…
Insomma siamo ancora molto molto distanti da una tecnologia per impieghi operativi…

Per quanto riguarda il nucleare c’era una discussione in giro a proposito… e anche in questo caso non erano tutte rose e fiori…

Mi riferisco al razzo QED (quiet electrical discharge) di Robert Bussard, basato sul fusore Polywell a boro11-idrogeno.
L’unitò di confersione diretta produce un fascio di elettroni relativistici che ionizza il propellente (idrogeno liquido o acqua) che viene espulso dall’ugello magnetico. Il modello per il vettore orbitale aveva un sistema di raffreddamento a ciclo rigenerativo (QED-ARC) e quindi le velocità di scarico massime non superavano i 35 km/s. I modelli raffreddati invece mediante radiatore (CRS-A) potevano invece raggiungere velocità di scarico di 100 km/s che li rendevano adatti a missioni su Marte.
Per missioni più lunghe erano invece preferibili sistemi DFP (diluited fusion product) a coversione diretta in spinta dei prodotti di fusione, con velocità di scarico di 1000-11000 km/s.

http://www.physorg.com/news80557199.html

http://www.ibiblio.org/lunar/school/InterStellar/Explorer_Class/Bussard_Fusion_systems.HTML

un saluto
Quaoar

Quando si analizzano i possibili veicoli spaziali del futuro bisogna tenere sempre presente che la scienza prospetta sempre soluzioni affascinanti,spinte e realistiche cioè che seguono regole fisiche , ma esse poi devono passare per la grande strettoia della tecnica che mette ogni teoria alla crudezza della realtà pratica delle cose. L’X 43? possiamo dire che è il futuro ma il futuro in quest’ambito non è 30 anni ma almeno 60, parliamo oggi di Luna e (ri)iniziamo a progettare (oggi) ciò che ci servirà (si spera) nel 2020-2025 (ed è già un tempo breve). Per capire l’astronautica dal punto di vista di fattibilità tecnico pratica la sola scienza non basta bisogna anche capire tutto quello che ci sta dietro, siamo in grado per esempio di simulare con un sufficiente grado di precisione (oltre a quello che abbiamo ora) cosa succede in regime ipersonico o i calcolatori che abbiamo ancora non ci permettono analisi e simulazioni così approfondite che servirebbero per ottimizzare lo scramjet? Il problema non è peregrino infatti i migliori calcolatori al mondo non possono risolvere le eq. di Navier Stokes per un fluido in moto turbolento…questo è un limite trasversale che tocca tutte le applicazioni ingegneristiche che hanno a che fare con fluidi che evolvono in moto turbolento in un condotto ad esempio.