Mi sono sempre chiesto chi e perchè, agli albori del pionierismo astronautico, scelse la configurazione multistadio, addirittura a pardere, per spedire veicoli nello spazio.
Osservando il Saturn V mi vien da pensare cosa sarebbe stato se fosse stato un unico veicolo non separabile, magari col primo stadio occupato quasi interamente da un gigantesco e potentissimo motore, tutto il resto solo da carburante e magari il terzo stadio abitabile come un piccolo Skylab.
Lo so che sono solo fantasie sfrenate, ma mi domando come possa essere venuto in mente un sistema così costoso e “sprecone” come i multistadi monouso.
Gia lo Shuttle era un passettino piu avanti, potendone almeno recuperare i booster e riutilizzarli, ma anche qui mi chiedo (un po oziosamente) se sarebbe possibile mandare in orbita uno spazioplano simile semplicemente facendolo decollare come un aereo, oppure sganciandolo da un aereo-madre ad alta quota, come la navetta Genesis nel film “Superman Return” o la Starship 1 di Sir Richard Branson.
A parte ciò, la V-2 tedesca era effetivamente in veicolo monostadio, quindi che succederebbe quindi se esistesse una specie di V-2 monostadio grande come il Saturn V? Sarebbe teoricamente fattibile (soldi a parte)? Avrebbe dei vantaggi?
E perchè il primo stadio dei Saturn V non venivano recuperati (ovviamente tramite paracadute) e riutilizzati?
Ancora oggi, ripensando alle misioni Apollo, trovo triste che, di tutto quel mostro alto 111 metri, solo una capsulina (per di piu monouso) sia tornata sulla Terra: ogni pezzo veniva via via “gettato”, abbandonato: gli stadi bruciati nell’atmosfera, il modulo di discesa del Lem abbandonato sulla Luna, il modulo di risalita schiantato sulla stessa, il modulo di servizio stessa fine dei primi stadi…e il modulo di comando utilizzabile solo una volta.
Gia oggi le nuove capsule sono riutilizabili, ma tutto il resto? Forse è perchè, dopo quasi 60 anni, siamo ancora nella fase pionieristica…
Ma le mie sono solo oziose riflessioni che si fanno prima di addormentarsi, la sera
Perchè l’equazione del razzo è maledettamente tiranna e il Saturn V rappresenta l’esatto opposto dell’aggettivo “sprecone”. Il Saturn racchiude efficienza estrema in ogni sua componente (basta guardare i miracoli che hanno fatto alla North American con lo stadio S-II. Uno stadio di oltre 500 tonnellate con una frazione massa/propellente incredibile di 0.93).
L’architettura multistadio permette di abbandonare il peso morto e rendere piu’ leggero il veicolo. Negli stadi superiori ogni chilogrammo che risparmi in massa di serbatoi/motori/componenti corrisponde quasi a un chilogrammo extra di carico utile.
Il saturn V se fosse stato un monostadio e monocarburante non sarebbe mai arrivato sulla Luna.
la massa è un tema centralissimo in ambito aereospaziale. E’ il motivo per cui è stato scelto il LOR e non l’ascesa diretta per le missioni Apollo. Con il Lunar Orbit Randevouz, un modulo ad hoc progettato solo per l’ambiente lunare di 16000 kg ha potuto compiere allunaggio, esplorazione per tre giorni e ritorno. Con l’ascesa diretta la capsula apollo sarebbe dovuta atterrare sulla Luna. Una penalità di massa enorme. Apollo 17 pesava 46800 kg nel complesso. Un Apollo D.A. avrebbe avuto una massa di 75000 kg e necessitato del razzo Nova per raggiungere la Luna.
Il primo stadio del Saturn V non era recuperabile perchè allo spegnimento era già molto veloce e rientrava in maniera troppo dura. L’ S-1C raggiungeva i 2.7 km/s allo spegnimento e rientrava da un apogeo di oltre 110 km. Per raffronto i booster dello Shuttle si seperavano a 1.3 km/s e rientravano da un apogeo di 72 km. Quando arrivava nell’Atlantico il booster del Saturn era già bello danneggiato dal rientro prima ancora dello splashdown nell’atlantico. Anche fosse stato intatto l’S-1C pesa quasi il doppio di un booster di uno Shuttle. Fermarlo con dei paracadute sarebbe stata una sfida non da poco.
Tornando al discorso di partenza, il riuso implica l’uso extra di carburante per rientrare e massa extra per sopravvivere agli stress aereodinamici del rientro. Questa massa extra però ha un prezzo. La devi portare a spasso ovunque tu vada e penalizza il tuo carico utile. Esempio principe è Starship. Starship V1 ha una massa di lancio superiore alle 5000 tonnellate, eppure può potenzialmente mettere in orbita appena 40-50 tonnellate. Con tanta cura dimagrante e altro carburante (massa al lancio ancora piu’ alta) sulla V2 puntano a 100 tonnellate in orbita bassa. Se vogliamo raggiungere la Luna poi tutta la ciccia extra comporta che Starship a malapena riesce a inserisi da sola in traiettoria lunare, con un carico utile irrisorio rispetto al vettore di partenza. Ovviamente SPX conta di fare un brute forcing di questo problema tramite uso massiccio di rifornimento in orbita (ci vorranno 15 tanker per fare il pieno).
Il Saturn V, figlio del suo tempo doveva fare tutto in un singolo lancio e lo faceva egregiamente. Con una massa di partenza di 2960 tonnellate il Saturn V immetteva in traiettoria lunare 48600 kg (LEM+CSM+SLA) nelle missioni J, con un potenziale massimo di poco oltre i 50000 kg in una missione con margini ingegneristici ridotti. Lo stesso carico utile di starship V1, ma invece che in orbita bassa spedito in traiettoria lunare (sono 3800 m/s di performance extra).
Di SSTO, single stage to orbit, ne abbiamo parlato spesso su questo forum. Sulla Terra è una cosa praticamente irrealizzabile, troppa gravità e troppa atmosfera.
Un esempio qui:
ma se fai una ricerca con SSTO ne trovi tanti di post.
Mi sembra che l’ultima proposta diciamo “ragionevolmente seria” di SSTO fosse quella di Skylon di Reaction Engines. https://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_Engines e poi il progetto mi sembra sparito. L’azienda oggi si occupa di un più prosaico “thermal management”.
Piu che altro mi chiedevo a chi fosse venuta l’idea, per la prima volta, di un vettore multistdio (se ne esiste una paternità riconosciuta) e se ciò ha inizialmente incontrò dei pareri opposti (immagino soprattutto dovuti agli stadi a perdere e non riutilizzabili).
Se io fossi stato un politico negli anni 50 e mi avessero proposto ciò, sicuramente sarei saltato sulla sedia al sentire di dover spendere miliardi per qualcosa che posso usare solo per un viaggio e il resto si butta via.
Ma sisa: un politico (che autorizza i fondi) non è uno scenziato nè tantomeno un ingegnere
Un’illustrazione e una descrizione nell’Huolongjing cinese del XIV secolo di Jiao Yu e Liu Bowen mostra il più antico razzo multistadio conosciuto; questo era il “drago di fuoco che usciva dall’acqua” (火龙出水, huă lóng chū shuǐ), utilizzato principalmente dalla marina cinese. Era un razzo a due stadi dotato di razzi booster che alla fine si sarebbero bruciati, ma prima che ciò accadesse accendevano automaticamente una serie di frecce più piccole che venivano lanciate dall’estremità anteriore del missile, che aveva la forma di un altro…
La filosofia del riciclo è una cosa parecchio contemporanea, occhio a non interpretare il passato usando il cervello di oggi. E occhio a non pensare che il riciclo sia sempre meglio, perché ci sono tanti casi in cui costa di più (anche al pianeta) riciclare qualcosa che farlo daccapo.
Il multistadio è una conseguenza naturale dell’equazione del razzo (e in effetti è una sorpresa che siamo arrivati al concetto di multistadio ben prima di Tsiolokovsky). Si può effettivamente calcolare matematicamente quanti stadi conviene fare, e non è un caso che l’ottimo in termini di propellente vs. deltaV sia tra i due e i tre stadi, che è quello che abbiamo sempre fatto e continuiamo a fare (ovvero: c’è un motivo se non facciamo lanciatori a 6 stadi).
Per questo penso che continueremo a fare razzi multistadio ancora per lungo tempo.
Questione diversa ovviamente è il recupero e riutilizzo dei primi stadi, e su questo abbiamo già discusso parecchie volte nel forum.
