venerdì, 10 Luglio, 2020

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Falcon-9: rientro, riutilizzo e topo spaziale. Le domande più frequenti

La missione Demo-2 è partita da qualche giorno ma alcuni aspetti del Falcon-9 destano ancora molte domande. Proviamo a rispondere

Il lancio della Crew Dragon nell’ambito della missione Demo-2 ha segnato un nuovo punto di svolta nella storia dell’esplorazione spaziale. I lanci con equipaggio sono finalmente diventati accessibili alle aziende private e gli USA si sono riappropriati della propria autonomia. Se la protagonista indiscussa del lancio è stata la futuristica capsula di Space X, con i suoi interni fantascientifici e il suo attracco mozzafiato, il successo del suo approdo non sarebbe stato tale senza il lanciatore Falcon-9.

La sua storia è ormai decennale e in tutto questo tempo ha fatto passi da gigante in termini di affidabilità. La sua peculiarità, l’atterraggio verticale, oltre a garantirne la riutilizzabilità, l’ha reso uno dei mezzi più iconici di sempre e finirà inevitabilmente per consegnarlo alla storia dell’esplorazione spaziale.

Ovviamente, una simile attenzione da parte del pubblico ha suscitato una serie di domande alle quali questo articolo proverà a rispondere.

Come fa il Falcon-9 a rientrare in atmosfera senza bruciare?

Quando si parla del rientro in atmosfera di velivoli spaziali, si guarda sempre con timore a uno degli aspetti fondamentali di questa fase: la tenuta termica del velivolo. L’aria della nostra atmosfera è un fluido e, in quanto tale, un oggetto che si muove al suo interno a velocità ipersoniche tende a sviluppare forze di attrito talmente elevate da generare temperature altissime in grado di fondere la maggior parte dei materiali.

È per questo che da sempre tutti gli oggetti che devono rientrare integri a terra sono dotati di scudi termici di vario genere che sono in grado di proteggere le superfici più “delicate” dalle temperature estreme.

Per quanto riguarda il Falcon-9, invece, molti hanno notato che non sono visibili scudi termici. Sono davvero assenti o sono solo ben nascosti? E come fa il razzo a rientrare senza incenerirsi?

Le soluzioni ingegneristiche di SpaceX in questo senso sono varie. Innanzi tutto bisogna distinguere il caso del Falcon9 da quello degli altri velivoli spaziali rientranti nell’atmosfera. In effetti il termine rientro può essere ritenuto improprio quando si parla del primo stadio: questo infatti non raggiunge l’orbita! Il cargo è messo in orbita del motore del II stadio solo dopo che è avvenuto il distacco.

Questo aspetto fornisce un grande vantaggio al primo stadio: esso non dovrà rientrare da altitudini troppo elevate e la sua velocità non sarà quella orbitale.

Il capitolo velocità è altrettanto importante: il Falcon-9 è un oggetto relativamente lento mentre attraversa l’atmosfera. Questo è legato sia agli aspetti orbitali già citati che un altro fattore: il cosiddetto “entry burn”, l’accensione comandata dei motori che permette un rallentamento del primo stadio. Questa manovra decelera il razzo da Mach 8 (o 5 in base ai parametri di missione) fino a Mach 3 garantendo un rientro sicuro.

Un altro aspetto importante è l’ angolo di incidenza del razzo rispetto all’atmosfera. Come un tuffatore olimpionico, infatti, il Falcon-9 entra nell’atmosfera in posizione il più possibile verticale grazie alla manovra di “flip” che svolge subito dopo lo sgancio.

Le fasi della missione del Falcon-9. È possibile apprezzare la “flip maveuver” e l'”entry burn”

Tornando alla questione scudi, per quanto riguarda il Block 5 (l’ultima versione del Falcon-9) questo è rivestito nella parte inferiore di uno scudo di inconel, una superlega di nichel con altissime capacità termiche.

La parte inferiore del primo stadio prima e dopo una missione

Perchè la telecamera che trasmette le immagini del rientro si oscura sempre sul più bello?

Questo argomento tra quelli che hanno acceso la discussione tra complottari e appassionati riguardo la veridicità dei lanci di SpaceX. Anche questa volta con estremo dispiacere dobbiamo dare una brutta notizia al team dei complottari: c’è una spiegazione scientifica anche a questo fenomeno.

Per capire bene bisogna partire dal presupposto che, in particolare per i lanci da Cape Canaveral, l’atterraggio del primo stadio avviene nel bel mezzo dell’oceano atlantico, ben lontano dalla costa. Questo comporta che ovviamente le comunicazioni non possano essere affidate alla fibra (e nemmeno al 5G, tranquilli) e quindi tocchi affidarsi ai satelliti.

La piattaforma dunque invia il segnale a un satellite che lo rimanda a terra permettendoci di godere della vista del Falcon9. Purtroppo, a causa delle vibrazioni causate dai motori del primo stadio (ricordiamo che parliamo di una forza tale da far atterrare, senza schiantarsi, un palazzone di 40 metri) la piattaforma non è in grado di inviare il segnale privandoci così dello spettacolo.

La speranza è che con il completamento del progetto Starlink anche le zone più isolate del pianeta dispongano di una connessione abbastanza affidabile.

Quante volte è possibile riutilizzare il primo stadio del Falcon-9?

Questa domanda al momento non ha una risposta precisa. Elon Musk alla presentazione del Block 5 ha parlato di 100 utilizzi per un solo razzo ma al momento questi sono certificati solo per 10. La tenuta dei materiali alle ripetute sollecitazioni termiche e meccaniche sarà valutata con l’aumentare delle missioni e se questa si dimostrerà affidabile non c’è motivo per cui un razzo dovrebbe essere dismesso. Di sicuro incideranno molto anche i costi di manutenzione che dovranno mantenersi costanti al crescere dell’usura.

Il topo! Qualcuno pensi al topo!

Questo video è diventato virale poche ore dopo il decollo del Falcon-9. Davanti alla telecamera del II stadio che inquadra il motore Merlin, sembra sbucare un piccolo esserino. Tra complotti di chi pensava che la milionaria SpaceX girasse i propri video fake in uno scantinato impolverato ed indignazione degli animalisti per il destino della povera bestiola, le teorie riguardo ciò che mostrano queste immagini sono state molteplici.

Cominciamo spiegandovi (sperando non sia davvero così essenziale) perchè quello non può in alcun modo essere un topo. I fattori che rendono inospitale il secondo stadio di un Falcon-9 sono vari, in ordine sparso: le fortissime sollecitazioni a cui è soggetto dall’inizio alla fine che costringono gli astronauti, seppur protetti da capsule molto più ospitali del II stadio, a preparazioni fisiche di vari anni; c’è il doppio discorso legato alle temperature che sono troppo alte in prossimità del motore Merlin e decisamente troppo basse nell’alta atmosfera e nel vuoto cosmico in cui saltella allegramente il presunto roditore; fino ad arrivare alla banalissima questione della mancanza di ossigeno che diventa pericolosa ben prima dell’altitudine a cui avviene il distacco del primo stadio.

Cosa mostra allora il video? Tutto lascia pensare che l’oggetto che si muove sulla superficie del II stadio non sia altro che un pezzo di ghiaccio. La sua genesi è associata a un fenomeno piuttosto complesso: i serbatoi del secondo stadio presentano una valvola che lascia fuoriuscire una parte dell’ossigeno liquido in modo da mantenerne costante la pressione. Quando questo ossigeno fuoriesce nello spazio si congela. Ciò avviene perchè, trovandoci nel vuoto, la pressione è al di sotto di quella del punto triplo dell’ossigeno e quindi questo non può più esistere in fase liquida. A fuoriuscita avvenuta, alcune molecole (in particolare quelle ad alta energia) evaporano quasi istantaneamente, abbassando i livelli energetici dell’ossigeno restante che non può che solidificarsi.

Alla fuoriuscita di ossigeno tramite la valvola del serbatoio sono legati anche gli sbuffi bianchi che vediamo intorno al razzo prima del decollo. Quindi al prossimo lancio tranquilli: il razzo non sta per prendere fuoco!

Il pezzo di ghiaccio scambiato per un roditore non è da confondersi con un altro “freddissimo” fenomeno che caratterizza i lanci spaziali. Avete presente quelle lastre bianche che circondano il razzo al lift-off? Bene anche quelle sono lastre di ghiaccio ma la loro genesi è più semplice. Anche in questo caso la colpa è dei serbatoi di ossigeno. Per mantenere allo stato liquido l’O2 dei serbatoi, questo è conservato a temperature bassissime. Di conseguenza, anche i serbatoi e il rivestimento del razzo sono freddissimi e finiscono per congelare il vapore acqueo dell’aria.
Al momento del lift-off, le vibrazioni fanno staccare queste lastre come nella foto qui sotto.

Fonti: SpaceX

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Gianluca Pellecchiahttps://aerospacecue.it
Diplomato al Liceo Classico e laureando in ingegneria aerospaziale. Appassionato di spazio e pallacanestro, oltre che incuriosito da qualunque cosa o persona lo circondi.