Il Saturn V – Le Missioni Apollo

Lo sbarco sulla Luna. Un evento che ha scritto una pagina di storia dell’umanità. Una conquista del mondo intero, non di una sola nazione. Un budget pressoché infinito a disposizione, rischi altissimi e margini d’errore quasi nulli. Vediamo assieme qualche dettaglio di questa eccezionale impresa che ha dell’incredibile.

Qualche tempo fa parlandovi dello Space Shuttle (Parte I e Parte II) ve lo avevo descritto come la macchina più bella, più potente e più affascinante che l’uomo abbia mai costruito. Ebbene, vi chiedo scusa…vi avevo mentito. In ambito spaziale, nella storia dell’umanità, il veicolo più potente mai realizzato è stato il Saturn V, quell’immenso colosso di 111 metri di $altezza$ e 3000 tonnellate di massa che dal 1969 al 1972 ha permesso a ben 12 fortunati astronauti di toccare con i propri piedi il suolo lunare.

Per darvi un’idea delle dimensioni di questo “mostro” ho messo assieme in Figura 1 un paio di foto reali ed un disegno in scala che mette a confronto il Saturno con lo Space Shuttle…se avete un’idea di quanto grosso sia lo Space Shuttle beh, il Saturn V era davvero qualche cosa di impressionante!

Il Saturn V Small

Figura 1 – Il Saturn V, il più grosso razzo spaziale mai costruito

Anche in questo caso una descrizione dettagliata richiederebbe migliaia di pagine di spiegazioni e di dettagli, ma a scopo divulgativo cercherò di rendere il tutto il più semplice e scorrevole possibile.

Cominciamo con il dire che anche il Saturn V, come molti altri lanciatori, è un razzo a stadi, ovvero composto da una serie di parti che vengono via via abbandonate durante le varie fasi della missione (in questo caso per missione si intende il viaggio di andata e ritorno Terra – Luna – Terra).

Principali Componenti del Saturn V

Figura 2 – Principali componenti

del Saturn V

Il primo stadio, l’S-IC, misura 42 metri in $altezza$ ed ha un diametro di 10. Al decollo pesa circa 2300 tonnellate, costituite quasi interamente dal propellente che permette al razzo di staccarsi da terra: il cherosene e l’ossigeno liquidi. Questo stadio da solo sprigiona una potenza devastante. Con 34 milioni di Newton di spinta anche i Booster laterali dello Space Shuttle, che ne producono “solamente” 3,3, impallidiscono al confronto. I 5 enormi motori F-I consumano circa 13 tonnellate di propellente al secondo e, in poco più di due minuti e mezzo, riescono a sollevare l’intera struttura fino ad un’altitudine di 61 Km raggiungendo una velocità di 8450 Km/h. Il primo stadio viene sganciato e ricade nell’Oceano Atlantico.

A questo punto entra in funzione il secondo stadio, l’S-II. Come il primo stadio ha un diametro di 10 metri, ma è alto solamente 25. Al lancio pesa circa 480 tonnellate e a differenza dell’S-IC brucia idrogeno e ossigeno liquidi. Attraverso i cinque motori J-2 fornisce una spinta di circa 5 milioni di Newton e bruciando per poco più di 6 minuti riesce a portare gli astronauti ad un’altitudine di ~180 km con una velocità di 25000 km/h. A questa altitudine però serve una velocità di 28000 km/h per potersi inserire in orbita e a tale scopo, una volta sganciato il secondo stadio, viene accesso per circa 2 minuti e mezzo il terzo stadio, l’S-IVB. Il terzo stadio ha un unico motore J-2 che come l’S-II è alimentato da idrogeno e ossigeno liquidi, ma a differenza degli stadi precedenti, è riavviabile a comando.

A questo punto, poco meno di 12 minuti dopo il lancio, gli astronauti si trovano in quella che in gergo si chiama “Orbita di Parcheggio terrestre”. Per un’orbita e mezza vengono effettuati una serie di controlli per verificare il corretto funzionamento e l’efficienza dei vari sistemi di bordo. Una volta appurato che tutto funzioni correttamente il motore del terzo stadio viene acceso per ben sei minuti ed il veicolo accelera fino ad una velocità di 39000 km/h in direzione Luna.

Il veicolo, ormai ridotto alla configurazione di Figura 3, si immette così in un’orbita di trasferimento lunare (LTO) e procede per ben 3 giorni solamente per inerzia, inizialmente rallentato dall’attrazione terrestre e successivamente accelerato dall’attrazione lunare.

Durante questo trasferimento, in tutte le missioni Apollo veniva effettuata una manovra tra le più delicate e complesse mai compiute nell’era del volo spaziale umano. Il CSM infatti (CM + SM) si staccava dal resto della struttura, ruotava di 180° e si agganciava molto delicatamente al modulo lunare LM estraendolo dal terzo stadio. Si passava quindi dalla configurazione mostrata in Figura 3 a quella (artistica) di Figura 4. Mentre il CSM + LM proseguiva il proprio viaggio verso la Luna, i motori del terzo stadio venivano accesi per fargli cambiare traiettoria e spedirlo o in orbita attorno al sole o, dalla missione Apollo 13 in poi, per farlo schiantare sulla Luna allo scopo di creare un sisma artificiale per sondare e meglio comprendere la struttura interna del nostro satellite naturale.

Terzo stadio + LM + SM + CM Big

Figura 3 – Terzo stadio + LM + SM + CM

A questo punto la navicella è composta da tre soli elementi.

  • Il Modulo di Comando (CM) all’interno del quale viaggiano i tre astronauti. E’ quella piccola capsula a forma di cono larga solamente 4 metri e alta tre e mezzo. E’ l’unica parte dell’intero veicolo che ritornerà a terra. E’ dotata di piccoli razzi di manovra, di uno scudo termico per dissipare il calore prodotto durante la fase di rientro e di tre paracadute che vengono aperti alcuni minuti prima di toccare terra.
  • Il Modulo di Servizio (SM) che contiene il propellente per il motore primario e per i sedici motori di manovra. Contiene anche gran parte dell’ossigeno, dell’acqua, dell’alimentazione elettrica e dei sistemi di comunicazione necessari per la missione.
  • Il Modulo Lunare (LM) che viene utilizzato da solo due dei tre astronauti per scendere sulla Luna e successivamente ripartirne.
Rappresentazione artistica del CSM + LM Big

Figura 4 – Rappresentazione artistica del CSM + LM

Man mano che il veicolo si avvicina alla Luna, diminuisce l’effetto frenante della terra ed aumenta quello attrattivo dovuto alla gravità lunare. Tramite ripetute accensioni del motore principale del Modulo di Servizio, il veicolo si inserisce in un’orbita lunare quasi circolare con una velocità di circa 5900 km/h ed un’altitudine compresa tra i 115 e i 138 km.

A questo punto due astronauti si spostano nel Modulo Lunare lasciando il terzo collega da solo all’interno del Modulo di Comando. Dopo alcune ispezioni visive e dopo aver verificato il corretto funzionamento dei sistemi di bordo, il LM si stacca dal resto del veicolo e si dirige vergo la superficie lunare. Data l’assenza di atmosfera l’uso del paracadute non può essere di alcun aiuto per la discesa, quindi per poter allunare in condizioni di sicurezza i due astronauti non possono che affidarsi all’unico motore del Modulo Lunare. Questo motore, parzialmente visibile in Figura 5, in circa 12 minuti deve esser in grado di ridurre la velocità da 5900 km/h a zero. Com’è facilmente intuibile i margini di riserva sono ridottissimi e il minimo errore da parte del pilota potrebbe avere conseguenze catastrofiche (ricordo che il LM era comandato interamente a mano).

Una volta raggiunta la superficie lunare, i due astronauti compiono una o più escursioni nelle quali portano a termine una serie di attività scientifiche seguiti da una telecamera che trasmette in tempo reale a terra. La permanenza sulla Luna varia da una durata minima di 21 ore della missione Apollo 11 ad una massima di 75 della missione Apollo 17.

Modulo Lunare Big

Figura 5 – Modulo Lunare della missione Apollo 11

La ripartenza dalla superficie lunare è sicuramente uno dei momenti più critici e più delicati dell’intera missione. Attraverso l’unico motore disponibile infatti lo stadio di risalita deve essere in grado di accendersi al momento giusto ed erogare la spinta necessaria per rimettersi in orbita e riagganciarsi al Modulo di Servizio. Se il motore non dovesse accendersi gli astronauti saranno condannati a rimanere intrappolati sul suolo lunare. Se si immettessero in un’orbita errata o sbagliassero la manovra di rendezvous sarebbero comunque condannati a rimanere prigionieri di quell’orbita o a schiantarsi sulla superficie della Luna. In ogni caso il collega rimasto a bordo del Modulo di Servizio non potrebbe far altro che abbandonarli ed intraprendere il viaggio di ritorno sulla terra in solitaria.

Qui di seguito potete vedere un breve filmato della ripartenza dalla superficie lunare degli astronauti della missione Apollo 17. Da quel momento in poi nessuno ha più messo piede sul nostro satellite naturale.

Fortunatamente in tutte e sei le missioni Apollo che hanno raggiunto il suolo lunare non si sono verificati inconvenienti di questo tipo e lo stadio di risalita è sempre riuscito a raggiungere con successo il Modulo di Servizio. Completata con successo la manovra di rendezvous & docking i due astronauti, assieme al carico di rocce lunari, di fotografie e riprese cinematografiche, ritornano nel Modulo di Comando mentre lo Stadio di Risalita viene sganciato e fatto schiantare sulla superficie selenica.

In Figura 6 potete vedere una delle foto, a mio avviso, tra le più belle mai scattate. E’ stata opera di Michael Collins che, in orbita lunare a bordo del Modulo di Comando Columbia, ha fotografato lo Sadio di Risalita in avvicinamento con a bordo i colleghi Armstrong e Aldrin. La terra sullo sfondo è davvero suggestiva.

Arrivo dell’Ascent Stage Big

Figura 6 – Ascent Stage in avvicinamento, fotografato dal CM

Dopo aver come sempre verificato il corretto funzionamento dei sistemi di bordo il motore principale del SM viene accesso e il CSM abbandona l’orbita lunare per intraprendere il viaggio di ritorno verso terra che durerà all’incirca tre giorni. Poco prima di raggiungere la Terra anche il Modulo di Servizio viene sganciato e fatto bruciare in atmosfera. Di quel colosso di 3000 tonnellate che aveva lasciato la superficie terrestre pochi giorni prima, rimane solamente una piccola capsula conica, alta tre metri e mezzo, con tre astronauti a bordo e in caduta libera verso la terra ad una velocità di circa 38000 km/h senza alcun motore di frenata.

Per rallentare questa folle velocità si può sfruttare solamente l’attrito dell’aria. La capsula assume un preciso assetto e si dispone su una traiettoria di rientro che il cui angolo di impatto con l’atmosfera deve essere compreso tra i 5,5 e i 7,5 gradi. Con un angolo inferiore la capsula rimbalza letteralmente sull’atmosfera rischiando di perdersi nello spazio. Con un angolo superiore invece il calore che si genererebbe per attrito con l’aria sarebbe troppo elevato e la capsula con gli astronauti a bordo si trasformerebbe in una grossa stella cadente…

Anche questa manovra fortunatamente è sempre andata a buon fine in tutte le missioni Apollo. Dopo alcuni angoscianti minuti in cui le comunicazioni sono interdette a causa dello strato di aria incandescente ionizzata che circonda la capsula, vengono spiegati dei paracaduti stabilizzatori che riducono ulteriormente la velocità di caduta. A circa 3000 metri di quota si aprono poi i tre paracaduti principali che consentono al Modulo di Comando di ammarare dolcemente nell’oceano pacifico. Due elicotteri arrivano immediatamente sul posto. In uno verranno caricati i tre astronauti con l’aiuto di un gruppo di sommozzatori di recupero mentre l’altro recupera la capsula con il prezioso carico scientifico al suo interno.

In Figura 7 potete vedere tutti i dettagli delle varie $fasi$ di questo incredibile viaggio andata e ritorno. Cliccandoci sopra l’immagine si espanderà al punto di superare le dimensioni del vostro schermo. Mi spiace per l’inconveniente ma è l’unico modo per poter visualizzare tutti i particolari.

Dettaglio delle fasi delle missioni Apollo Big

Figura 7 – Schema dettagliato delle varie $fasi$ delle missioni Apollo

Questo è in sintesi il modo in cui si sono svolte le missioni lunari che ormai più di 40 anni fa hanno dominato la scena mondiale. Rischi elevatissimi, budged illimitato, margini d’errore pressoché nulli, alte possibilità di fallimento senza possibilità di salvataggio e prestigio di una nazione in gioco con il mondo intero in diretta TV.

Questi sono i principali motivi per cui l’uomo, purtroppo, non è più riuscito a tornare sulla nostra amata Luna.

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! : )

23 Commenti

  1. Articolo interessantissimo.
    Ho un solo dubbio e ti chiedo gentilmente se puoi darmi chiarimenti:
    Alla velocità di 39.000 km/h in 72 ore (3 giorni) la distanza percorsa sarebbe di oltre 2 milioni di chilometri mentre la distanza terra-luna è meno di 400.000 km.
    Per percorrere la distanza terra-luna in 3 giorni bisognerebbe viaggiare a non più di 5.000 km/h, come è possibile? a meno che la luna non sia più vicina!!!

  2. Articolo molto interessante!!!
    Una domanda: come hanno fatto a registrare il filmato della partenza dello Stadio di Risalita verso il Modulo di Comando? C’era una telecamera controllata a distanza (via radio) oppure un astronauta ha deciso di restare sulla luna per poter girare un filmato da una prospettiva “unica”? 🙂
    Scherzi a parte: esisteva già una tecnologia del genere?

  3. Esattamente Simone…la telecamera era proprio comandata da terra, da Houston per la precisione. Un tecnico del centro di controllo missione, manovrava via radio la telecamera che si trovava sulla Luna, riprendendo così il decollo degli astronauti. Pensa che la trasmissione di controllo partiva dalla Terra appositamente con un anticipo di circa 1,3 secondi, in modo da compensare i ritardi accumulati dal segnale durante il lungo tragitto per raggiungere la Luna.

    Questo accorgimento consentiva di riprendere in tempo reale la partenza del LEM. A sincronizzare tutte le operazioni tra la Terra e la Luna, tra cui anche questa appena descritta, ci pensava il preciso timer di missione su cui tutto il programma di missione si basava. Oltre a questa funzione, la telecamera aveva il compito di favorire le riprese televisive degli astronauti sulla superficie lunare, i quali, impegnati nell’esplorazione, non dovevano preoccuparsi di puntare verso di loro la telecamera ogni qualvolta si spostavano. Tutto questo consentì agli scienziati sulla Terra di interagire per la prima volta virtualmente con delle persone a circa 380.000 km di distanza.

    Questa della telecamera che si muove è uno dei principali cavalli di battaglia dei complottisti…che cercano in ogni modo di dimostrare che non ci sono andati ma che ogni volta, puntualmente, vengono zittiti… :mrgreen:

  4. @Sergio

    Giusta osservazione. Quello che dici però sarebbe vero se lo spacecraft si muovesse in direzione Luna a velocità costante ed in linea retta. La meccanica orbitale e le leggi di Keplero invece insegnano che tutte le orbite sono delle ellissi in cui il corpo attorno al quale l’oggetto si muove occupa uno dei due fuochi. In questo caso la capsula delle missioni Apollo descrive un’ellisse in cui la terra occupa uno dei due fuochi e in cui la velocità di 39000 km/h è la velocità massima istantanea che la navicella ha solamente nel punto iniziale chiamato perigeo. Man mano che si allontana dalla terra la velocità diminuisce sempre di più fino a raggiungere la velocità minima nel punto che viene chiamato Apogeo e che nelle missioni Apollo veniva appositamente fatto coincidere con la distanza Terra-Luna. In questa animazione si vede bene come varia la velocità orbitale di un oggetto quando rivolve attorno al sole (quando si orbita attorno al Sole il Perigeo e l’Apogeo si chiamano rispettivamente Perielio e Afelio).

    Quindi, i 384.000 km di distanza media Terra-Luna coincidono con l’asse maggiore dell’ellisse descrivente l’orbita. In realtà la navicella percorre uno spazio leggermente maggiore non muovendosi in linea retta (circa metà ellisse per la precisione), ma non di certo i 2.800.000 km che si ottengono moltiplicando 39.000 km/h per 72 h. Pensa che quando gli astronauti arrivano in prossimità della Luna la loro velocità è diminuita fino a circa 700 km/h…quindi si inseriscono in orbita lunare con velocità moooolto più bassa.

    In realtà per raggiungere la Luna ci sarebbero diverse soluzioni possibili. Si potrebbe pensare di raggiungerla in sole 34 ore con un’orbita molto più eccentrica, seguendo un’ellisse molto più schiacciata e allungata, ma ciò richiederebbe una velocità iniziale molto più elevata e con la tecnologia di allora non era possibile. Ci si poteva al contrario immettere in un’orbita che avrebbe richiesto ben 5 giorni per arrivare, ma si è preferito trovare un compromesso tre le varie soluzioni e far permanere gli astronauti solamente 3 giorni nello spazio esterno (fuori dalle fasce di Van Allen) dove nessun uomo prima di allora aveva mai messo “piede”…

    Spero di non averti confuso!

  5. @sergio

    le missioni Apollo 19 e 20 sono state tirate in ballo da alcuni complottisti con la speranza di dimostrare l’esistenza di civiltà extraterrestri lunari, mega astronavi lunghe km giacenti sulla superficie lunare ecc…non mi dilungherei molto su ste cose…

    Le missioni Apollo 18, Apollo 19 e Apollo 20 inizialmente erano davvero pianificate, ma vennero poi cancellate semplicemente per mancanza di fondi e x via del calo di interesse verso questo tipo di missioni dato che nei tre anni precedenti ben 6 Apollo avevano raggiunto (o quasi x via dell’Apollo 13) la superficie lunare.

  6. E il razzo di emergenza in cima al Saturno V cosa serviva? E’ vero che si sono persi i piani costruttivi e anche se si volesse non si è più in grado di ricostruirlo?

  7. Ottimo articolo, Lampo!! Che bei ricordi….
    Ero solo un bebè dell’asilo, ma mi ricordo ancora bene l’Apollo 17 che parte….
    Il Saturn V era veramente un mostro!!! 😎

  8. Ottimo articolo! Complimenti!
    Leggendolo mi sembra di essere arrivato sulla Luna e di essere tornato indietro verso casa poco dopo. 😯
    (PS.Typo penultimo paragrafo “sisntesi”)

  9. @Mario

    il razzo di emergenza che si vede sull’estremità $superiore$ della capsula si chiama Launch Escape System (LES). Non è altro che un sistema di sicurezza che permette, in caso di malfunzionamento del razzo sottostante, di staccare la capsula dalla restante parte di razzo ed allontanarla ad una distanza di sicurezza mettendo fuori pericolo gli astronauti che vi si trovano all’interno.

    Questo razzo è stato utilizzato sia nel programma Mercury che nel programma Apollo. Oggi è ancora utilizzato nella soyuz e l’unico caso in cui è stato utilizzato è stata durante il lancio della missione missione Sojuz T-10-1 quando il razzo sottostante prese $fuoco$ appena prima del decollo e questo sistema di sicurezza riuscì AL PELO ad allontanare gli astronauti da quell’inferno che esplose solo un paio di secondi dopo….

    Qui puoi vedere una suggestiva immagine di un test effettuato sul un LES delle missioni Apollo…

    Per quanto riguarda la seconda domanda sinceramente non saprei, non penso che abbiano perso tutto! Comunque è da anni che si studia un vettore simile, quello che in gergo si chiama un Heavy Lift Launcher, ovvero un lanciatore pesante. Il programma Constellation della NASA prevedeva la realizzazione di un vettore chiamato ARES V, ovvero un razzo in grado di portare 130 tonnellate in orbita terrestre o 65 in orbita lunare. Purtroppo con i tagli di Obama il futuro di questo razzo ancora non si conosce… Qualche giorno fa invece ho visto qui un’animazione su quello che potrebbe essere il prossimo lanciatore pesante, se mai dovessero farlo! Praticamente molto simile ad ARES V…

    @Red

    Beato te che hai potuto vivere questa fantastica esperienza in diretta! Dev’essere stata davvero suggestiva…

    Grazie a tutti x i complimenti e grazie Scevra, typo corretto! 😉

  10. Questo mi mancava, davvero molto interessante, è incredibile quello che si è riuscito a fare, e sicuramente lo sarà altrettanto quello che accadrà in futuro…

  11. Grazie per l’ottima risposta!! Tutto quanto studiato alla perfezione dai tecnici di Houston per ottenere un risultato eccezionale!
    Era proprio quello che volevo sentir dire sui complottisti…e poi le ultime immagini fornite dalla NASA hanno dato il colpo finale a tutti i quelli che sostengono che l’uomo non sia mai stato sulla lunai!!

  12. Bravissimo Lampo, un articolo che mi riporta all’infanzia. Avevo 8 anni ed ero con la mamma al mare, già mi appassionavo allo spazio e vidi la famosa trasmissione RAI con il celebre battibecco tra Tito Stagno a Roma e Ruggero Orlando a Huston. Ho ancora i nritagli di giornale dell’epoca e voglio correre a rivedrerli. Grazie ancora.

  13. Grazie Mario, mi fa piacere! Beati voi che conservate gelosamente i giornali originali! Li avrei tenuti sicuramente anch’io se fossi già stato al mondo a quel tempo…

  14. A me ‘sto Ares ricorda tanto l’Ariane, però non sono un esperto e magari è completamente diverso. Resto dell’idea che finchè useremo i razzi per portare i carichi in orbita non faremo molta strada. Bisogna pensare a qualcosa di rivoluzionario e siccome i motori antigravitazionali sono pura fantascienza l’unica uscita è l’ascensore orbitale.