Lo Space Shuttle, Parte II

In questo articolo vorrei descrivervi un po’ più dettagliatamente l’Orbiter, quel grosso aereo bianco a decollo verticale e ad atterraggio orizzontale nel quale alloggiano i fortunati astronauti e, nella parte non pressurizzata, il carico da trasportare in orbita.

Come abbiamo detto nel precedente articolo, l’Orbiter è molto più simile ad un grosso aliante piuttosto che ad un aereo convenzionale. E’ infinitamente più complesso di un aliante, ma specialmente nella fase finale di rientro il principio di funzionamento è praticamente il medesimo.

Per comprendere un po’ più a fondo il suo funzionamento bisognerebbe dividerlo in numerosi sottosistemi e dare una spiegazione dettagliata di ognuno di essi, ma spero di riuscire a rendere sufficientemente l’idea suddividendolo nelle seguenti 5 parti:

Struttura

Struttura dell'Orbiter
Fig.1: Struttura dell’Orbiter

Con Struttura intendo semplicemente il sistema Ali + Timone di coda + Fusoliera, che a sua volta si divide in fusoliera anteriore, centrale e di poppa.

Sono costruiti essenzialmente con una lega di alluminio e come gli aerei convenzionali sono dotati di alettoni, flaps e timone grazie ai quali il pilota in fase di rientro compie una serie di manovre per smaltire la velocità in eccesso ed atterrare a circa 340 km/h sulla pista prestabilita, generalmente quella del Kennedy Space Center. Lo Shuttle (permettetemi di chiamarlo così) nella fase di rientro si comporta esattamente come un aliante; non avendo più carburante a bordo, infatti, non fa altro che planare fino alla pista d’atterraggio.

Sistemi di Propulsione

Sistemi di Propulsione dell'Obiter
Fig.2: Sistemi di Propulsione dell’Obiter

I Sistemi di Propulsione di cui è dotata la navicella spaziale americana sono tre. Il sistema principale si chiama SSME, acronimo di Space Shuttle Main Engine. Non sono altro che i tre giganti ugelli di Figura 2 attraverso i quali vengono fatti bruciare i due milioni di litri di propellente liquido contenuti nell’External Tank. Sono utilizzati solamente per i primi 8 minuti della missione; nel momento in cui l’External Tank si sgancia dall’Orbiter gli SSME si spengono e per tutto il resto della missione non rivestono più alcun ruolo. Bruciando in totale circa 4000 litri di propellente al secondo si sviluppa in camera di combustione una temperatura dell’ordine di 3300 °C, temperatura alla quale anche il ferro comincia a bollire! Per questo motivo camera di combustione e ugelli sono raffreddati da circuiti secondari in cui scorre idrogeno liquido a bassissima temperatura.

Il secondo sistema di propulsione utilizzato si chiama OMS ovvero Orbital Maneuvering System. E’ un sistema di “piccoli” propulsori che a differenza degli SSME possono essere accesi e spenti più volte. Proprio grazie ad essi è possibile effettuare ripetuti cambi d’orbita fino a portarsi ad un’altitudine di 350-400 km, dove ad attendere la navetta con gli astronauti a bordo c’è la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), meta della maggior parte degli ultimi voli Shuttle. Con circa 20 tonnellate di idrazina e tetrossido di azoto questi due motori oltre ad essere utilizzati per i cambi orbitali ed eventualmente per supportare gli SSME durante la fase di lancio, sono quelli che permettono la famosa manovra di deorbiting. Questa manovra non è altro che una brusca frenata che, nella fase di rientro, permette all’Orbiter di immettersi in un’orbita con perigeo all’interno dell’atmosfera in modo da impattare con essa in un punto ben preciso, smaltire la velocità ed atterrare nella pista d’atterraggio prestabilita.

Ugelli RCS Muso Shuttle
Fig.3: Alcuni ugelli del RCS posti sul muso dell’Orbiter

Il terzo ed ultimo sistema di propulsione di cui è dotato l’Orbiter è costituito da una serie di motori di controllo di assetto, il Reaction Control System (RCS). Non appena lo Shuttle si inserisce in orbita, subito dopo il distacco dell’External Tank, l’atmosfera non è sparita del tutto ma è talmente rada che i cambi di assetto non possono più essere effettuati attraverso l’uso dei flap e dell’alettone. Entrano allora in gioco questi piccoli propulsori disposti in parte sul muso dello Shuttle (Figura 3) ed in parte sulla coda (Figura 2), proprio affianco agli OMS. Sono ben 35 in totale e, grazie a dell’elio in pressione stoccato in appositi serbatoi, sia l’idrazina (il combustibile) che il tetrossido di azoto (l’ossidante) vengono spinti attraverso questi ugelli in modo da produrre piccoli “spruzzi” in grado di far ruotare la navetta nei tre principali assi e correggerne quindi l’assetto a piacere.

Abitacolo pressurizzato

Elementi Principali dell’Abitacolo Pressurizzato
Fig.4: Elementi Principali dell’Abitacolo Pressurizzato

L’Abitacolo Pressurizzato è quello che in Figura 1 è indicato come Crew Compartment. Può trasportare fino ad un massimo di 8 astronauti, ma generalmente l’equipaggio è composto da 6, qualche volta 7 persone. Il Crew Compartment è organizzato in tre livelli, uno superiore chiamato Flight Deck, uno intermedio chiamato Middeck ed un Lower Deck inferiore nel quale alloggiano solamente borse, sistemi elettrici, scambiatori di calore e sistemi vari di “Life Support”…

Nel Flight Deck alloggiano i due seggiolini più ambiti, quelli che si affacciano direttamente ai finestrini ed alla strumentazione, riservati al comandante di missione ed al pilota. Nella parte posteriore invece altri due seggiolini ospitano gli specialisti di missione. Sempre in questo livello $superiore$ si possono trovare altre strumentazioni di controllo nonché i comandi per movimentare il braccio robotico che risiede nella Cargo Bay.

L’apertura indicata in Figura 4 con “Passaggio” collega il livello $superiore$ con quello intermedio, il così detto Middeck. La maggior parte delle attività degli astronauti si svolge qui; vi si può trovare infatti un piccolo angolo cottura, una speciale toilette, scompartimenti per oggetti personali, attrezzi per esercizio fisico e per esperimenti scientifici, compartimenti per riposare/dormire ed infine, la cosa più importante, l’airlock. L’airlock, che in italiano viene spesso indicato con il nome “Camera di Equilibrio”, non è altro che un piccolo scompartimento a chiusura stagna che collega due zone a differente pressione, nel nostro caso l’interno dell’abitacolo a circa 1 bar di pressione e l’esterno, lo spazio “vuoto”.

Cargo Bay

nodo 2 stivato nella Cargo Bay dello STS-120
Fig.5: nodo 2 stivato nella Cargo Bay dello STS-120

Attraverso l’Airlock gli astronauti possono uscire dall’abitacolo pressurizzato e giungere alla Cargo Bay effettuando le Extra Vehicular Activitiy (EVA), le cosiddette passeggiate spaziali. La Cargo Bay, o Payload Bay, non è altro che l’interno dello Shuttle. E’ quel vasto volume non pressurizzato nel quale viene stivato il carico da trasportare, generalmente moduli spaziali piuttosto che satelliti, esperimenti vari o hardware generico. Le porte della Cargo Bay si aprono subito dopo l’inserzione in orbita in modo da esporre i radiatori all’ambiente spaziale. Le superfici nere che in Figura 5 sono indicate come Radiatori, infatti, non servono a produrre energia elettrica come molti pensano, bensì a rigettare nello spazio il calore prodotto dai vari sistemi dell’Orbiter. Infine, un braccio robotico telecomandato dall’interno del Crew Compartment permette di movimentare il carico stivato ed eventualmente supportare le operazioni d’aggancio alla Stazione Spaziale. In particolare in Figura 5 lo Space Shuttle Discovery trasportava Nodo 2, un gioiello tecnologico di incredibile complessità costruito proprio qui a Torino, in Thales Alenia Space.

Sistema di Protezione Termica

Il Sistema di Protezione Termica dello Space Shuttle serve a proteggere l’intera struttura sia dalle temperature estreme tipiche dell’ambiente spaziale (molto alte al sole, estremamente basse in ombra) sia dall’elevata temperatura che si sviluppa nella parte sottostante dell’Orbiter durante il rientro atmosferico, temperatura che può raggiungere i 1650 °C. Circa 31000 mattonelle di sette materiali diversi ricoprono l’intera superficie dello Space Shuttle. Ogni mattonella è diversa dall’altra, tutte sono codificate in modo che ognuna occupi una precisa posizione. Tra i vari tipi di mattonelle quelle che meritano una citazione dedicata sono le HRSI, ovvero le High-temperature Reusable Surface Insulation. Sono le 20548 mattonelle di colore scuro che ricoprono l’intera superficie $inferiore$ dell’Orbiter e parte del muso, come si vede bene in Figura 6.

Sistema di Protezione Termica
Fig.6: Sistema di Protezione Termica

Costituite essenzialmente da aria e fibre di silicio, queste mattonelle hanno una conducibilità termica talmente bassa che, quando ancora incandescenti, possono essere tenute in mano senza bisogno di guanti.

Campione di HRSI appena sfornato
Fig. 7: Campione di HRSI appena sfornato

In Figura 7 potete infatti vedere un operatore che sorregge un campione di questo materiale pochi secondi dopo l’estrazione dal forno, quando la temperatura interna supera ancora i 1000 gradi centigradi. La funzione di queste mattonelle è così cruciale che la rottura di anche una sola di esse può avere conseguenze catastrofiche sull’intera struttura, proprio come avvenne nel 2003 con il disastro dello Space Shuttle Columbia.

Anche se i cinque Orbiter costruiti dalla NASA tra il 1981 e il 1992 non erano identici fra loro, le caratteristiche che vi ho descritto in questo articolo appartenevano a tutti quanti. Oggi, dopo 30 anni di attività, due Orbiter sono stati persi e due dei tre rimasti hanno già compiuto il loro ultimo volo e stanno per essere trasportati in musei dove riposeranno per il resto dei loro giorni. L’ultimo Shuttle, l’Atlantis, salvo ritardi effettuerà il suo volo finale a Luglio di quest’anno.

Al suo atterraggio potremo dichiarare definitivamente conclusa l’era Shuttle, l’era della navicella spaziale per eccellenza, l’era, scusate se lo ripeto ancora, della macchina più bella ed affascinante che l’uomo abbia mai costruito.

I commenti di questo post sono in sola lettura poichè precedenti al restyling del 2012. Iscriviti al Forum di Astronomia.com ed entra a far parte della nostra community. Ti aspettiamo! : )

20 Commenti

  1. Complimenti per l’articolo Davide. Una macchina così meravigliosa merita una descrizione approfondita e comprensibile anche a chi è ignorante come me in materia. Ne aprofitto per chiedere una cosa che non mi sono mai spiegato: finchè siamo nell’atmosfera il propellente viene “sparato” dai motori creando un vortice che spingendo l’aria permette al veicolo il movimento in senso opposto (…MMM che descrizione..:!) Ma quando lo Shuttle è fuori dell’atmosfera su cosa si “attacca” il getto dei motori? … nel vuoto non dovrebbe avere nessuna influenza un getto di propellente.. Scusate l’ingenuità..! 🙄

  2. @U-olter

    grazie per i complimenti prima di tutto.

    Ogni motore di tipo propulsivo permette di generare una spinta non grazie all’aria che c’è all’esterno ma grazie alla materia che viene espulsa dal motore stesso. Un ugello quando espelle un gas ad una determinata velocità e quindi con una determinata quantità di moto riceve una spinta in senso opposto. In sostanza i gas di scarico per poter uscire a quella velocità e a quella pressione “spingono” sulle pareti dell’ugello, quindi lo spingono letteralmente indietro. E’ lo stesso principio per il quale quando hai una canna in mano e apri il rubinetto, il getto d’acqua produce una sorta di rinculo della canna stessa. L’aria è del tutto ininfluente.. Anzi, senza aria il motore funziona ancora meglio perché i prodotti di combustione non incontrano alcuna resistenza nel venire espulsi…

    Spero di essere riuscito a chiarire il tuo dubbio.

  3. Ciao,
    complimenti per gli articoli di questo sito che riescono davvero ad avvicinare i neofiti a questa splendida materia. La semplicita e la capacità di sintesi dei vostri articoli li rende davvero leggibili ai non addetti ai lavori.
    Ho una curiosità: Una volta pensionati gli Shuttle quale sarà il futuro delle missioni spaziali? Riuscirà la mia generazione a vedere uno sbarco su un altro pianeta (Marte)?

  4. @Alberto

    purtroppo oggi come oggi il vero grosso problema è solamente uno: la mancanza di soldi. Negli anni 60 la NASA aveva messo a disposizione un budget infinito per le missioni Apollo, non avevano posto limiti alle spese! L’unico obiettivo era quello di arrivare sulla Luna prima dei russi. E ci sono riusciti… E il progresso tecnologico di quegli anni è stato spaventoso, spinti da questa competizione con i russi in piena guerra fredda la tecnologia ha fatto in pochi anni dei passi da gigante!

    Qualche anno fa si parlava di tornare sulla Luna entro il 2020 e su Marte entro il 2035. Purtroppo per come è evoluta la situazione queste date non sono più plausibili. Una nuova missione sulla Luna, con le tecnologie odierne e con i minimi livelli di rischio che sono richiesti oggi comporterebbe dei costi esorbitanti e non sostenibili da una singola potenza! Quindi purtroppo ho paura che dovemo aspettare ancora un bel pò!

    A sto punto secondo me, se nel prossimo futuro a breve termine qualcuno deciderà di tornare sulla Luna per poi spingersi oltre…beh, quelli saranno i cinesi…!

  5. Però i soldi per andare a far guerre dovunque il governo americano li trova sempre. Sarei proprio contento se si facessero bagnare il naso dai cinesi.

  6. Eheheh Mario, mi trovi Pienamente d’accordo…e siccome ho già affrontato questo discorso più e più volte con più persone ti posso assicurare che su questo tema rischieremmo di scatenare una discussione infinita senza fine! Quindi in un sito di astronomia come questo è meglio evitare va… 😉

  7. ciao Lampo!
    parli dello “shuttle” e a me vien in mente un OOPART , gli aerei di Bogotà,
    vengono a galla nella mia mente le raffigurazioni poste sulle “ali” di questi oggetti indicanti le turbolenze provocate dai loro profili alari, ben visibili a chi osserva un aereo al momento del “touchdown”…

  8. Già, lo Shuttle è davvero uno spettacolo!

    Colgo l’occasione per ricordare a tutti che Venerdì 8 Luglio (dopodomani) alle 17:26 ora italiana verrà lanciato (salvo ritardi) L’ULTIMO Shuttle, l’Atlantis. Se non avete mai visto un lancio in diretta ve lo consiglio vivamente, è davvero una bella emozione. Si può vedere su NASA TV o anche su siti tipo spaceflightnow.com.

    Ricordatevi, è l’ultima occasione per vedere un lancio in diretta, dopo di questa…potremo dire definitivamente addio allo Space Shuttle. 🙁

  9. Io in queste occasioni ho lo stesso countdown di Cape Canaveral nella mia testa :mrgreen:

    Comunque sono d’accordissimo con Lampo ,assistere al lancio su NASA TV in diretta è veramente stupendo ed emozionante .

    Colgo l’occasione per fare i miei più sinceri complimenti allo staff di questo fantastico sito che (anche se è la prima volta che lascio un commento) seguo da tantissimo tempo ,praticamente non perdo quasi mai neanche un articolo 🙂

  10. Grazie e complimenti Dollaro91.

    Purtroppo in media alla gente pare non freghi quasi niente di “queste cose”…gran parte della gente è addirittura convinta che lo Shuttle vada sulla Luna… 🙁

    Non mi spiego come si possa rimanere indifferenti a tutto ciò…ogni volta che ne lanciano uno a me viene la pelle d’oca per minuti!

  11. @Lampo
    con i tuoi due articoli mi hai sicuramente passato il virus…
    non vedo l’ora di assistere al lancio e grazie per i riferimenti 🙂
    Complimeti!!!

  12. ciao a tutti, in particolare un grande ringraziamento a tutti coloro che tengono vivo il sito con aggiornamenti e articoli. se non sbaglio questo è solo il secondo articolo che c’è sull’aerospaziale. mi piacerebbe davvero tanto poter leggere a bizzeffe di ingegneria aerospaziale, dove posso documentarmi (per evitare di scomodare voi che dovete scrivere tanto e non solo di quel che interessa a me!)? io sono un liceale e vorrei tanto prendere questa facoltà una volta diplomato, tuttavia sono indeciso con fisica/astrofisica perchè non ho idea di quali siano le possibilità lavorative effettive… potreste aggiornarmi in questo senso e magari darmi un consiglio? grazie mille!

  13. @Lorenzo

    Questo è sicuramente il forum italiano con il maggior numero di informazioni possibili nel settore astronautico/aerospaziale, hai da leggere per settimane! C’è una sezione intera dedicata a chi vuole intraprendere un corso di laurea in questo settore, si chiama “Area studenti – spazio accademico”, se invece vai su “Chiacchierate astronautiche” troverai discussioni di ogni tipo che potranno darti una bella infarinatura sul come stia evolvendo oggigiorno il settore aerospaziale sia in Italia che nel Mondo.

    Buon divertimento e buona lettura!

  14. Caro Lampo, che malinconia….. Un’altro glorioso pezzo della nostra storia che se ne va in pensione.
    Se penso a quanto ci abbiamo tutti fantasticato sopra….. 😥

  15. Eh già Red… E purtroppo per come stanno andando le cose il futuro non sembra riservare nulla di speranzoso! E soprattutto lavorando nel settore dà molta tristezza anche a me 🙁