"Single-Stage to Orbit": Quali prospettive?

Una questione tecnica sull’Orion, il cui vettore Ares utilizza, mi pare, gli stessi buster a propellente solido dello Shuttle. Rispetto allo spazioplano mi sembra un passo indietro, in quanto in vece di proseguire verso il single stage to orbit si torna al vecchio concetto del razzo a stadi. Dubito che alla lunga si riveli una strategia vincente per un accesso economico allo spazio, o forse hanno trovato degli accorgimenti per rendere il tutto più economico rispetto al vecchio Saturn V?
O forse sperano di abbassare i costi con l’economia di scala?

Un saluto
Quaoar

E’ anche una questione di sicurezza!
L’orbiter con gli astronauti si troverà in cima al vettore e non sul fianco come per lo Shuttle!
La capsula Orion inoltre sarà dotata di torre di salvataggio LES (Launch Escape System), un razzo di emergenza (già utilizzato in passato su Mercury, Apollo, Soyuz, ecc) in grado di strappare in caso di pericolo, la capsula spaziale con il suo equipaggio e portarla lontano dall’Ares in men che non si dica. Questa manovra per lo Shuttle non è del tutto immediata e carica di rischi.
Inoltre come per l’Apollo, nell’Orion lo scudo termico sarà protetto dal compartimento superiore del modulo di servizio sino a poco prima del rientro.
Così facendo non sarà soggetto a urti con detriti derivati dalle sollecitazioni del lancio o spaziali vaganti.
Un bel toccasana, no?

La scelta degli stadi non è in realta una “scelta”, oggi è impossibile avere una qualsiasi rendita con un “single stage to orbit”, e probabilmente lo sarà anche in un futuro a medio-lungo termine.
I propellenti chimici attuali (in pratica qualsiasi propellente si voglia utilizzare) hanno ISP irrisori se si volesse trarre vantaggio da un’architettura di questo tipo, e l’evoluzione non permetterà credo mai di avere un unico stadio a propellente chimico per raggiungere l’orbita e che allo stesso tempo sia vantaggioso.
E visto che la propulsione nucleare in atmosfera se non è utopia poco ci manca, credo che questa architettura non vedrà mai la luce con le tecnologie attuali… semplicemente non è vantaggiosa tecnologicamente, oggi non si riesce in partica ad effettuare nenahce voli suborbitali in “single stage” e entrare in orbita è un passo moooolto più grande in termini energetici…

Su questo si potrebbe discutere: l’equazione del razzo ci dice che è per raggiungere l’orbita bassa un SSTO dovrebbe avere un rapporto tra la massa al decollo e la massa a vuoto (M/M0) di almeno 9 se come propellente si utilizza ossigeno e idrogeno liquidi (Vs 4.5 km/s) o di almeno 16.5 se si utilizzano ossigeno liquido e kerosene (Vs 3.5 km/s).
Con i materiali attuali questi valori potrebbero anche essere raggiunti, il problema è però se un tale veicolo sarebbe economicamente vantaggioso o meno.
Il mai realizzato Venture Star, per esempio, avrebbe dovuto avere all’incirca una massa al decollo di 1000 tonnellate, di cui 900 T di propellente, 20 T di carico pagante e 80 T di strutture e propulsori, con un rapporto M/M0 pari a circa 9.

Il Venture Star aveva un innovativo propulsore con ugello ad aerospike lineare, che si adattava automaticamente alla pressione atmosferica, consentendo ottimi rendimenti a ogni quota, dal livello del mare fino allo spazio.
Il progetto, come tutti sappiamo, fu abbandonato perché il serbatoio dell’idrogeno liquido in honeycomb di carbonio del demonstrator X-33 era talmente difettoso da convincere i tecnici della NASA che un SSTO fosse al di là dello stato attuale dell’arte.
Molte però sono state le critiche: l’uso esasperato di materiali sperimentali non ancora bene affidabili, rispetto alle molto più collaudate leghe alluminio-litio. Anche la scelta iniziale di utilizzare idrogeno liquido rispetto a propellenti più densi e liquidi a temperatura ambiente come il kerosene è stata molto discussa: se è vero che il sistema LOX-LH2 da il massimo impulso specifico è anche vero che richiede serbatoi molto grandi e pesanti, che devono essere molto ben coibentati. Un serbatoio di idrogeno liquido pesa infatti il 10% del suo contenuto mentre uno per il kerosene appena l’1%. L’idrogeno, inoltre, necessita di pompe e turbine più pesanti, tubi con maggior coibentazione e così via. Secondo alcuni autori, un sistema a kerosene, avrebbe alla fine fornito prestazioni analoghe con un costo notevolmente inferiore.

Un saluto
Quaoar

prendiamo per esempio quello che avrebbe dovuto essere il Venture Star: un veicolo di circa 1000 tonnellate,

Ho letto anch’io in alcuni articoli che secondo alcuni, l’X-33 avrebbe potuto funzionare se si fossero usati serbatoi tradizionali. Vorrei però fare una precisazione: il linear aerospike è sì più efficiente di un singolo motore tradizionale usato continuativamente da terra all’orbita, ma lo è sempre meno di un ugello a campana ottimizzato per la relativa quota. In pratica, più motori con ottimizzazioni diverse rendono meglio del linear aerospike.
C’è inoltre un’altra cosa che mi incuriosisce: usando il kerosene, sarebbe stato maggiore il guadagno dovuto al risparmio di peso o il danno dovuto al minor impulso specifico?

Infatti… quello che ho scritto sopra.

Il mai realizzato Venture Star, per esempio, avrebbe dovuto avere all'incirca una massa al decollo di 1000 tonnellate, di cui 900 T di propellente, 20 T di carico pagante e 80 T di strutture e propulsori, con un rapporto M/M0 pari a circa 9.

Ok, ma innanzitutto la tecnologia neanche oggi esiste per immaginare un qualsiasi uso operativo a breve per un mezzo simile, secondo, oggi l’obiettivo non è andare in LEO ma uscire dalla LEO e un VentureStar o simili non ne sarebbe stato in grado e non sarebbe servito a molto allo scopo, oltre a essere molto più congelato come possibili sviluppi o dinamicità di missione…

Oggi esiste ancora un salto tecnologico enorme fra l’attuale categoria di mezzi operativi e un mezzo simile, ed è impensabile che la scelta per un prossimo mezzo spaziale, con i requisiti posti potesse in qualche modo ricadere su una tecnologia così poco testata, così poco conosciuta e dall’utilità ancora tutta da dimostrare.
Quando un propulsore ad aerospike avrà le stesse prestazioni di uno tradizionale possiamo stare certi che lo vedremo utilizzato operativamente, i colossi dell’aerospazio investono fortune per cercare di migliorare i proprio servizi di lancio e se ci fosse stata una minima possibilità di poterci guadagnare, anche sul lungo termine, di prove ed esperimenti se ne sarebbero realizzati a iosa… mi pare d’averlo già detto altre volte, non credo ai geni incompresi (o alle tecnologie incomprese, panacea di tutti i mali) nel settore aerospaziale, la selezione è rigidissima se una cosa funziona o ha prospettive di utilizzabilità allora sicuramente viene almeno sperimentata e messa alla prova altrimenti è solo un “parto” o una scoperta poco scientifica e molto “fanta”.

Il fatto è comunque che non si può basare un programma operativo nascente su una tecnologia che non esiste, quando si inizia un programma che deve portare a qualche cosa di operativo in tempi più o meno brevi si deve prendere il meglio della tecnologia disponibile, che già funziona e che è già stata testata, e la si mette insieme, non è in alcun modo pensabile ideare un programma che avrebbe preso il posto dello Shuttle quando si sarebbe dovuto prima creare e validare questa particolare tecnologia e poi in un secondo momento creare il programma vero e proprio. Ora si stanno facendo degli studi ad esempio sull’aerospike ma i risultati, se ci saranno arriveranno fra 10-20 anni, avremmo dovuto aspettare così tanto per avere un mezzo post-shuttle?
Sono due cose su livelli diversi di operatività, non confondiamoci e non mischiamoli, uno è uno studio di fattibilità o comunque allo stadio prototipale, l’altro è un programma operativo, unire le due cose richiederebbe anni e anni di tempo prima di veder nascere qualche cosa e se qualche cosa nascerà… perchè si baserebbe tutto un programma su una tecnologia e poi magari negli anni si scopre che altre tecnologie o tecniche propulsive sono più promettenti… e allora si sarebbe sprecato tutto senza avere in mano un bel nulla per volare. Le due fasi devono essere categoricamente separate in modo da portare avanti più studi possibili sulle varie tecnologie e il programma operativo deve essere basato su tecnologia assolutamente esistente altrimenti non ci vorrebbero 3 anni di stop ai voli ma 30 anni (e non è un eufemismo).

Se è vero che la NASA ha abbandonato l’idea dello spazoplano orbitante interamente riutilizzabile, è anche vero che a questo progetto stanno lavorando alcuni operatori privati come la Virgin e la SpaceDev
http://www.space-tourism.ws/spaceshipthree.htm
http://space.newscientist.com/article/dn7897

La SpaceDev produrrà il motore ibrido della SpaceShipThree di Rutan e stà anche lavorando a uno spazioplano interamente suo.

La SS3 sarà probabilmente uno spazioplano che verrà lanciato da un aereo come la SS1,mentre la SpaceDev stà lavorando su uno spazioplano a decollo verticale.
E’ interessante il commento del CEO della SpaceDev, che nell’articolo sopra citato è molto critico con le scelte della NASA - costi faraonici e lucrosi appalti pubblici - evidentemente tutto il mondo è paese.
Comunque la SS3 è stata messa in cantiere quest’anno e sarà terminata nel 2010. Porterà solo passeggeri e quindi non può essere considerasta un erede dello Shuttle. Seguirà poi la SS4 che dovrebbe invece portare in LEO carichi commerciali…

Certo, l’Orion-CEV può andare sulla Luna, e quindi non è giusto paragonare generi diversi. Però un domani, se l’impresa della Virgin avrà successo, magari anche loro potrebbero assemblare in orbita una nave interamente riutilizzabile che faccia la spola tra l’orbita bassa e l’orbita lunare rifornendosi direttamente all’hotel orbitante della Virgin senza mai atterrare… Chissà…

Chiedo venia, mi rendo conto che sto volando troppo con la fantasia, ma venendo dalla fantascianza mi viene così istintivo che non posso trattenermi.

Un saluto
Quaoar

Infatti gli obiettivi sono diversi, e lo spazioplano credo sia l’ottimo per la LEO, in nessuno dei due casi però si tratta di un SSTO…

La SS3 sarà probabilmente uno spazioplano che verrà lanciato da un aereo come la SS1,mentre la SpaceDev stà lavorando su uno spazioplano a decollo verticale.

Il Dream Chaser di SpaceDev non è assolutamente un SSTO, verrà lanciato con un Atlas 5…
Qui trovi tutte le info a riguardo: http://www.forumastronautico.it/index.php?board=176.0

Comunque ripeto, per evitare malintesi, non sto dicendo che lo spazioplano sia futuristico o che non serva, il discorso fatto sopra era riferito ad un qualsiasi mezzo SSTO, indistintamente, gli spazioplani sono fermamente convinto siano la soluzione ottima e probabilmente l’obiettivo finale dell’utilizzo in LEO a costi accessibili, soprattutto per imprese commerciali. La stessa cosa a mio avviso non vale per il SSTO… almeno per il breve-medio periodo.

Comunque la SS3 è stata messa in cantiere quest'anno e sarà terminata nel 2010. Porterà solo passeggeri e quindi non può essere considerasta un erede dello Shuttle. Seguirà poi la SS4 che dovrebbe invece portare in LEO carichi commerciali...

Non so di quando siano questi dati ma credo che le attuali previsioni siano slittate di almeno un paio d’anni.

Certo, l'Orion-CEV può andare sulla Luna, e quindi non è giusto paragonare generi diversi. Però un domani, se l'impresa della Virgin avrà successo, magari anche loro potrebbero assemblare in orbita una nave interamente riutilizzabile che faccia la spola tra l'orbita bassa e l'orbita lunare rifornendosi direttamente all'hotel orbitante della Virgin senza mai atterrare...

Sicuramente, è una delle possibili architetture per un accesso alla Luna, la scelta che verrà poi fatta sarà in base all’utilizzo che se ne intende fare della Luna e di conseguenza il progetto di missione più redditizio… ma sicuramente è una delle ipotesi sul tavolo.

Grazie per le precisazioni: il Dream Chaser a quanto ho capito, sarà quindi uno spazioplano a razzo ibrido utilizzato come stadio finale di un razzo Atlas. Sulle specifiche ho letto che ha un sistema RCS a razzi ibridi sempre a NO2, invece dei bipropellenti ergolici dello Shuttle, e che non avrà l’ugello basculate. Il direzionamento di spinta avverrà invece mediante iniezioni di NO2. Quest’ultimo passo non mi è molto chiaro: un solo razzo che può variare la direzione dello sfogo mediante iniezioni asimmetriche di ossidante nella camera di combustione, oppure un sistema a 4 o più razzi fissi, dove il direzionamento di spinta è ottenuto distribuendo opportunamente la spinta tra i vari razzi?

Quanto allo SS3,l’unica immagine che ho trovato in rete è su questo sito:

http://lifeboat.com/ex/spacehabitats

A vederla, sembra una SS1, con un grande booster in coda. Probabilmente sarà lanciata da una versione vitaminizzata del WK, ma per il rientro non credo che possa planare efficacemente con quel lungo razzo attaccato alla coda. E’ probabile quindi che si tratti d’un secondo stadio spendibile e che quindi anche l’SS3 non sarà proprio interamente riutilizzabile, anche se forse un razzo spendibile a propellente solido affidabile ed economico potrebbe rivelarsi la soluzione più economica per la conquista della LEO.
Mi piacerebbe conoscere il tuo parere in proposito.

Un saluto
Quaoar

Forse sono ignizioni nell’ugello… ma francamente non saprei… aspettiamo qualcuno di più sicuro… :wink:

Quanto allo SS3,l'unica immagine che ho trovato in rete è su questo sito:

http://lifeboat.com/ex/spacehabitats

A vederla, sembra una SS1, con un grande booster in coda. Probabilmente sarà lanciata da una versione vitaminizzata del WK, ma per il rientro non credo che possa planare efficacemente con quel lungo razzo attaccato alla coda. E’ probabile quindi che si tratti d’un secondo stadio spendibile e che quindi anche l’SS3 non sarà proprio interamente riutilizzabile, anche se forse un razzo spendibile a propellente solido affidabile ed economico potrebbe rivelarsi la soluzione più economica per la conquista della LEO.
Mi piacerebbe conoscere il tuo parere in proposito.

La SS3 deve ancora essere presentata ufficialmente e abbiamo visto quanto è variata la SS2 dalla prima presentazione ufficiale a quella definitiva…
http://www.forumastronautico.it/index.php?topic=2456.0
a così:
http://www.forumastronautico.it/index.php?topic=5736.0
Per cui direi di aspettare con i giudizi… per ora sono solo concept con probabilmente pochissime ore di studio alle spalle.

P.S.
Scorporo la discussione perchè siamo bellamente OT… :wink:

La mia opinione è che il Venture Star sia stato un immenso,tragico, spreco di risorse.
Prima di pensare ad un mezzo SSTO si sarebbe dovuto progettare e costruire un sistema di trasporto spaziale interamente recuperabile costituito da un Vettore alato pilotato (o eventualmente automatizzato) ed un Orbiter,insomma lo Space Shuttle come era stato immaginato all’inizio,prima che per motivi di bilancio il progetto venisse snaturato.
Se si fosse partiti fin dalla fine degli anni 80 con questo obiettivo,oggi la navetta avrebbe il suo naturale successore.
Quanto agli SSTO,semplicemente oggi non c’è la tecnologia (è un pò come se alla fine degli anni 30 qualcuno avesse voluto andare,neanche in orbita,ma direttamente sulla luna).

E’ interesante notare come i proggetti di enti pubblici si orientino sempre verso la soluzione potenzialmente più performate e complessa senza badare ai costi (razzi bipropellenti a combustibili LOX-LH2, serbatoi criogenici in honeycomb di carbonio ecc.), mentre le imprese private scelgano soluzioni più semplici e affidabili, come razzi ibridi a ossido nitrico (liquido a temperatura ambiente e 20 atmosfere di pressione) e gomma, che non costa neanche un d’ecimo d’un sistema LOX-LH2. Senza contare poi che la differenza di impulso specifico è spesso compensata dalla maggior leggerezza dovuta alla semplicità costruttiva.
Proviamo a immaginare il primo spazioplano privato da orbita bassa: un grosso booster a razzo ibrido da 100 tonnellate, con in cima una versione migliorata della SS1 da 5 tonnellate. Il booster non sarà probabilmente riutilizzabile, tuttavia saràmolto economico (è da tener presente che il propulsore principale dello Shuttle, dopo ogni missione viene smontato, controllato e rimontato e l’intera procedura di manutenzione costa quasi quanto costerebbe ricomprarlo nuovo).

Un saluto
Quaoar

Un saluto
Quaoar