Space Launch System - Parte 3 : "Critical Design Review"

A Novembre del 2015 il gruppo dedicato alla progettazione del nuovo razzo ha superato un passo fondamentale nel processo di sviluppo: la Critical Design Review (CDR).

In questa fase, iniziata a giugno, vengono riuniti tutti i progettisti interni ed esterni all'agenzia per una rivalutazione globale del lavoro svolto. 

Lo scopo è quello di passare al vaglio ogni singola scelta ingegneristica valutandone le motivazioni in funzione delle specifiche richieste per il progetto.

Al termine della CDR si dispone di un progetto maturo e dettagliato, può quindi iniziare la costruzione del primo prototipo.

Le missioni dello Space Launch System

A questo punto occorre aprire una parentesi; se il programma Costellation aveva un chiaro obiettivo e un profilo di missione definito, questo non si può dire per il nuovo razzo.

Come la nuova capsula Orion (di cui tratterò in un post dedicato), il nuovo SLS è stato progettato con specifiche che consentano un certa flessibilità nel pianificare le missioni. A dirla tutta le specifiche del progetto sono basate più su quello che si aveva a disposizione che non in funzione di uno specifico obiettivo.

A tutt'oggi le missioni di esplorazione di SLS sono ancora in fase di definizione e sono state annunciate solo le due missioni di test:

• SLS 1 - EM1 (Exploration Mission 1), Razzo SLS Block 1: Invio della capsula Orion senza equipaggio attorno alla luna (Lancio previsto: Dicembre 2018)
• SLS 2 - EM2 (Exploration Mission 2), Razzo SLS Block 1b: Invio della capsula Orion con equipaggio attorno alla Luna (Lancio previsto: Aprile 2023)

La missione successiva, non ancora annunciata, dovrebbe portare un equipaggio ad esplorare un asteroide, o un grosso frammento di esso, precedentemente riposizionato nei pressi della Luna.

Il nuovo Space Launch System approvato dallo Standing Review Board

Si è deciso di non verniciare il Core Stage ne l'interstadio che, per risparmiare peso, manterranno il colore arancio del materiale isolante esterno, allo stesso modo di quanto era stato fatto con External Tank (ET) della Space Shuttle dopo i primi lanci.

Piano di sviluppo del nuovo razzo Space Launch System

Il core stage monterà 4 motori a idrogeno e ossigeno liquidi (LH/LOX) RS-25, recuperati dalle navette spaziali ormai in pensione.

Per i primi 2 minuti di volo i 4 motori RS-25 saranno coadiuvati da 2 booster a combustibile solido (SRB) a 5 segmenti, derivati dagli SRB a 4 segmenti dello Space Shuttle ma a differenza di questi ultimi, saranno a perdere e non saranno recuperati dopo la missione.

Rappresentazione artistica dei componenti del razzo SLS Block 1 in versione "Equipaggio" con la capsula Orion

La prima versione del razzo, Block 1, sarà capace di portare in orbita bassa 70 t di carico e utilizzerà come stadio superiore una versione adattata del secondo stadio del razzo Delta IV a idrogeno e ossigeno liquidi, capace di più accensioni nel vuoto ma non certificato per l'uso con equipaggio; questo stadio chiamato Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS) sarà utilizzato solo nella prima missione (EM-1).
  
La seconda versione del razzo, Block 1b, vedrà il debutto di un nuovo stadio superiore (EUS: Exploration Upper Stage) i cui dettagli costruttivi non sono ancora stati definiti, quello che è certo è che sarà certificato per il trasporto dell'equipaggio e avrà una capacità di carico in LEO (Low Earth Orbit) pari a 105 t
Questo modello del razzo sarà sviluppato anche in versione cargo con un'ogiva di circa 8 metri.

Più avanti sarà sviluppata un terzo modello (Block 2) che utilizzerà dei nuovi booster avanzati, tuttora in fase di valutazione, e forse 5 motori RS-25 per il Core Stage anziché gli attuali 4. L'obiettivo è garantire una capacità di carico pari a 130t in LEO, maggiore di ogni altro razzo mai costruito.

Alla prossima.

Space Launch System - Parte 2: "Dalle ceneri di Costellation..."

Con la cancellazione del programma Costellation e il taglio dei finanziamenti, la NASA ha intrapreso un processo di valutazione del: “cosa si può fare con quello che abbiamo?”

Il programma STS (Space Trasportation System) dello Space Shuttle ha lasciato in eredità un’enorme esperienza e un certo numero di apparati utili:

SSME: Gli RS-25 sono i motori principali della navetta spaziale (Space Shuttle Main Enginer) sono certificati per il volo umano e possono vantare il maggior numero di ore di accensione di ogni altro motore della storia, garantendo una elevata affidabilità

SRB: La tecnologia dei booster a combustibile solido dello Shuttle (Solid Rocket Boosters) è cresciuta molto. specialmente dopo l’incidente che ha causato l’esplosione in volo della navetta Challenger.

ET: l’External Tank, l’enorme serbatoio che conteneva il propellente per gli SSME e forniva il supporto strutturale all’intero complesso durante l’ascesa, è stato più volte migliorato nel corso del programma, riducendone progressivamente il peso.

OMS: Orbital Maneuvering System: I due motori a combustibili ipergolici (a breve un post sui carburanti utilizzati nel volo spaziale) che consentivano alla Space Shuttle di effettuare manovre orbitali tra cui la circolarizzazione dell’orbita dopo il lancio e la de-orbitazione per il rientro a terra.

Fino alla cancellazione del programma Costellation, la NASA aveva sviluppato alcuni sistemi che potrebbero essere utilizzati:

Orion: La capsula equipaggio era già in avanzato stato di progettazione, erano stati fatti anche alcuni test strutturali ed era pronta una prima versione del nuovo scudo termico derivato dal programma Apollo.

Ares I: Fu eseguito un test di lancio dalla storica rampa 39a del complesso di lancio al Kennedy Space Centre in Florida; il test prevedeva il solo primo stadio funzionante, il secondo stadio era costituito da un simulatore di massa inerte, così come la capsula posta sulla sommità del razzo.

Ares V: erano state definite le specifiche del razzo ed era iniziata la progettazione ma ancora non era stato prodotto alcun componente.

LAS: il Launch Abort System aveva già superato brillantemente due test sui motori principali e quelli per il controllo dell'assetto, era previsto che fosse un elemento critico per garantire la sicurezza degli astronauti con la capsula Orion

Gli altri componenti del programma Costellation erano solo abbozzati, il modulo lunare Altair e lo stadio di trasferimento EDS erano fermi allo stato di "concept" quando il programma venne cancellato.

Con un'ottica "al risparmio" la NASA iniziò a definire le specifiche per un progetto che utilizzasse il più possibile le tecnologie già disponibili e che avesse le potenzialità per proseguire l'esplorazione spaziale oltre l'orbita terrestre bassa.

Nasce il progetto SLS: Space Launch System

L'idea è quella di sviluppare un unico razzo pesante utilizzabile sia per lanciare sia la capsula equipaggio che per portare grossi carichi utili in orbita, il razzo sarà potenziato nel tempo aumentandone le capacità di carico.
Per quanto riguarda la capsula si è deciso di adattare ad un più ampio ventaglio di missioni il progetto della capsula Orion, pensata per il programma Costellation.

Lo Space Launch System

la prima versione (Block 1) avrà una capacità di carico pari a 70t in LEO, sarà costituito da un Core Stage derivato dal Externat Tank (ET) dello Space Shuttle riadattato per montare, nella parte inferiore la sezione motori e in quella superiore un interstadio per l'aggancio del secondo stadio.


Il Core Stage sarà provvisto di quattro motori RS-25 (gli SSME usati sulla navetta spaziale). Questi motori sono estremamente affidabili ma meno potenti degli RS-68 che si pensava di utilizzare per Ares V, il vantaggio è che la NASA ne possiede già 18 per le prime missioni, recuperati dalle navette, e non costa molto svilupparne una versione più leggera, e non riutilizzabile (RS-25E), per le missioni successive.

Il profilo di volo del nuovo razzo è diverso da quello dello Space Shuttle, il carburante giunge ai motori più freddo e ad una pressione maggiore, per cui è necessario eseguire dei test su tutti i motori prima di poterli utilizzare.

La maggior potenza di spinta al lancio non sarà fornita dai 4 motori RS-25 ma da due booster a combustibile solido simili agli SRB dello Space Shuttle, che forniranno assieme circa 32MN di spinta, a differenza degli SRB della navetta spaziale, i nuovi booster di SLS avranno 5 segmenti anziché 4 e non saranno recuperati, dopo il loro distacco dal Core Stage precipiteranno nell'oceano.

Il video che segue mostra il test eseguito da Orbital-ATK sui nuovi booster che equipaggeranno SLS.

Il Secondo stadio del nuovo razzo è l'elemento che, assieme ai booster, avrà maggiori sviluppi nelle versioni future del razzo.
Per questa prima versione sarà utilizzato il secondo stadio del razzo Delta IV riadattato, chiamato ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage) a Idrogeno e Ossigeno liquido, ha la capacità di accensioni multiple ma non è certificato per il volo umano.

In un primo momento NASA intendeva certificare l'ICPS per il lancio della capsula con equipaggio ma, per ragioni economiche, ha interrotto la certificazione modificando il calendario di lancio: il primo lancio di SLS avverrà a Novembre 2018 e sarà una missione dimostrativa con la capsula Orion senza equipaggio, in questa missione, chiamata Exploration Mission 1 (EM-1) sarà l'unica ad utilizare l'ICPS.

Le risorse prima destinate alla certificazione di ICPS saranno indirizzate allo sviluppo di un nuovo secondo stadio: Exploration Upper Stage (EUS), progettato già per essere utilizzato anche per missioni con equipaggio.
Inizialmente EUS doveva utilizzare il motore J-2X, sviluppato a partire dallo storico J-2 del razzo Saturn ma per ragioni di budget il progetto è stato congelato; al momento non è chiaro quale delle molte proposte sarà finanziata.

Anche i booster a 5 segmenti di derivazione Shuttle saranno sostituiti, nel tempo, da nuovi booster più avanzati, per ora la proposta più accreditata è quella di Orbital-ATK, compagnia che già sta costruendo i booster a 5 segmenti; ATK propone un SRB avanzato chiamato "Dark Knight", utilizzando materiali compositi, in particolare la fibra di carbonio per l'involucro, e nuovi carburanti più efficienti.
Ci sono altre proposte che comprendono razzi a combustibile liquido, alcuni farebbero uso di motori di fabbricazione russa, cosa che con le tensioni politiche attuali, renderebbe ben poco praticabile la loro realizzazione.
La NASA non ha ancora preso una decisione.

Con l'utilizzo del nuovo secondo stadio (EUS), indipendentemente da quale modello sarà realizzato, si arriverà ad una capacità di carico pari a 105t in LEO del razzo SLS Block 1B, quasi quanto quelle del Saturn V (115t).

Il modello di SLS Block 2, vedrà la sostituzione dei booster con una versione più avanzata, come scritto poco sopra, non è ancora chiaro che tipo di motori saranno utilizzati. Le specifiche da raggiungere sono di 130t in LEO, che decreteranno lo Space Launch System block 2 il più potente razzo mai costruito dall'uomo.

Il programma di sviluppo di SLS è stato poi nuovamente rivisto, come racconterò nel prossimo post ;)

Alla prossima.

Space Launch System - Parte 1: "Il Programma Costellation"

Gli elementi del programma Costellation

Con il completamento della Stazione Spaziale, la NASA decretò anche la conclusione del programma Space Shuttle e iniziò a vagliare un certo numero di progetti per il futuro dell'esplorazione spaziale.
Era chiara la meta finale, il pianeta Marte ma non lo erano altrettanto i passi intermedi che si volevano compiere per sviluppare la tecnologia necessaria ad un viaggio così lungo e lontano dalla Terra.
Già da tempo circolava l'idea (o il sogno) di tornare sulla Luna, magari per costruire una colonia permanente e da quel luogo privilegiato sviluppare le tecnologie ad arrivare su Marte.
Sia l'agenzia spaziale Russa (Roscosmos) che quella Cinese avevano espresso pubblicamente il loro interesse per la costruzione di una base permanente sulla superficie lunare ma si trattava (e si tratta tutt'ora) solo di progetti abbozzati sulla carta senza copertura economica.
Dall'idea di rimettere piede sulla Luna, questa volta per restarci un po' più a lungo, nasce il programma Costellation.
In seno al nuovo programma, NASA iniziò la progettazione di due nuovi lanciatori: Ares I e Ares V, oltre ad una capsula equipaggio chiamata Orion. Venne pianificato anche lo sviluppo di uno stadio di trasferimento lunare (Earth Departure Stage) e un modulo di discesa (Altair) capace di supportare un equipaggio di 4 persone per circa 1 settimane.

Ares I

Il razzo Ares I doveva essere un lanciatore medio certificato per il volo umano.
Con 25 tonnellate di carico utile in LEO, sarebbe stato utilizzato per lanciare la capsula equipaggio Orion. Poteva essere usato anche per il trasporto di astronauti e rifornimenti da e verso la Stazione Spaziale Internazionale.
Il primo stadio avrebbe utilizzato propellente solido e sarebbe derivato dai Solid Roket Boosters (SRB) dello Space Shuttle, solo in versione più lunga, 5 segmenti anziché 4.
Il secondo stadio doveva accendersi più volte sia nell’alta atmosfera che nel vuoto, avrebbe utilizzato il motore a Idrogeno e ossigeno liquidi J-2X, derivato dallo storico J-2 che equipaggiava secondo e terzo stadio del razzo Saturno V.

Ares V

Il nuovo razzo pesante della NASA era stato pensato per portare in LEO lo Earth Departure Stage e il modulo di discesa Altair. Avrebbe potuto trasportare poco più di 120 tonnellate di carico, sarebbe stato utile anche per lanciare grosse missioni interplanetarie o con traiettorie più dirette e quindi tempi di viaggio ridotti.
Il primo stadio avrebbe utilizzato 5 motori a idrogeno e ossigeno liquido derivati da quelli dello Space Shuttle ma riprogettati per essere più semplici e potenti; a differenza degli SSME dello Shuttle, sarebbero stati “a perdere”, precipitando nell’oceano ad ogni missione.
Il combustibile per i 5 motori sarebbe stato immagazzinato in un serbatoio anch’esso derivato dal programma STS.
Il primo stadio sarebbe stato coadiuvato, al momento del decollo, da una coppia di boosers a combustibile solido identici a quello utilizzato per il primo stadio del razzo Ares I.
Il secondo stadio doveva utilizzare un singolo motore J-2X ottimizzato per il vuoto, come quello pensato per il secondo stadio di Ares I ma con un serbatoio di maggior volume.

Capsula Orion

La capsula equipaggio doveva fornire un ambiente pressurizzato di circa 6 m^3 e garantire il supporto vitale per quattro astronauti per tre settimane (o poco più di 200 giorni se attraccata alla Stazione Spaziale).
Derivata dal programma Apollo sarebbe però stata grande più del doppio, integrare sistemi di comando e controllo totalmente digitali e all’interno del volume pressurizzato l’aria respirabile doveva essere composta da una miscela di Azoto e Ossigeno al 20% (molto simile alla miscela atmosferica). Doveva, inoltre, resistere al rientro atmosferico da un volo trans-lunare, con velocità di ingresso pari a circa 11 Km/s (circa 40.000 Km/h).
Era previsto un modulo di servizio che sarebbe stato abbandonato appena prima del rientro, il modulo di servizio avrebbe fornito energia e acqua per la capsula e propulsione per le manovre orbitali.

Earth Departure Stage

Un razzo capace di accensioni multiple nel vuoto e certificato per il volo umano, dopo essere stato portato in orbita da un razzo Ares V, sarebbe servito per lasciare l’orbita bassa terrestre portando la capsula Orion e il modulo lunare Altair in orbita lunare, oppure per lanciare sonde interplanetarie verso altri pianeti del sistema solare, le loro lune o gli asteroidi.
Era progettato per montare un motore J-2X a idrogeno e ossigeno liquidi.

Modulo di discesa lunare (LSAM: Lunar Surface Access Module) Altair

Il modulo di discesa lunare Altair (LSAM: Lunar Surface Access Module) agganciato alla capsula Orion completa del modulo di servizio.

Il veicolo lunare Altair sarebbe servito a 4 astronauti per atterrare sulla superficie della Luna, mantenerli in vita per circa 1 settimana e tornare in orbita lunare per effettuare il randes-vous con la capsula Orion.

Altri progetti del programma

Launch Abort System

Il programma Costellation comprendeva molti altri progetti meno appariscenti, la realizzazione del complesso apparato di costruzione, assemblaggio e integrazione dei razzi e degli altri veicoli costituisce un enorme impegno di risorse che permettono a pochi uomini di arrivare oltre l'orbita terrestre bassa.

Fu previsto lo sviluppo di nuove tute di volo pressurizzate, realizzate sulla scorta dell'esperienza accumulata con i voli dello Space Shuttle, e di una "torre di fuga" chiamata LAS: Launch Abort System che permettesse di portare in salvo gli astronauti in caso di incidente sulla rampa di lancio o durante l'ascesa

Profilo di una classica missione lunare del programma Costellation

La fine del programma Costellation

Nell'Ottobre del 2010 il Presidente Obama chiude definitivamente il programma Costellation, è infatti approvato un budget ridotto e le nuove direttive per la NASA. Le risorse dell'agenzia, per quanto riguarda il volo umano, saranno utilizzate per lo studio dei corpi celesti che passano nei pressi della Terra, i cosiddetti NEO (Near Earth Objects).

Nasce il progetto Space Launch System

Alla prossima.

Presentazione

L'orbita terrestre bassa o LEO (Low Earth Orbit) è la prima porzione di spazio che circonda la terra, compresa tra il limite superiore dell'atmosfera e le fasce di Van Allen, ovvero tra circa 100 e 2000 km di quota, fin'ora è stata la meta della maggior parte dei veicoli spaziali e dei voli con equipaggio.

Dopo trent'anni di viaggi verso l'orbita bassa, la nostra generazione vedrà l'uomo lasciare regolarmente questo vicino spazio circum-terrestre per avventurarsi sempre più lontano dalla nostro pianeta, verso la Luna e oltre, fino a muovere i primi passi sul pianeta rosso.

Ci siamo già stati

L'uomo ha già superato LEO per ben 8 volte con le missioni Apollo 8, 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17, nelle ultime sei delle quali gli astronauti americani sono atterrati sulla superficie del nostro satellite.
la conquista della Luna è stato il culmine di una corsa allo spazio senza respiro, non si è trattato di fare un passo alla volta consolidando ogni risultato ma è stato un balzo nello spazio col minimo di conoscenza necessaria a garantire la sopravvivenza degli equipaggi e raggiungere l'obiettivo.

La conquista del'orbita bassa

Con il programma Space Trasportation System (STS) gli Space Shuttle
hanno volato in LEO per ben 135 volte, eseguendo ogni sorta di esperimenti, prove tecniche e dimostrazioni tecnologiche per migliorare le conoscenze nel volo spaziale. Con le missioni Shuttle, per la prima volta, si è fatta ricerca non solo in ambito aerospaziale ma in molti altri campi: dalle scienze biologiche all'ingegneria dei materiali.
Le ultime missioni del programma sono state dedicate alla costruzione di una Stazione Spaziale.

Un avamposto umano permanente nello spazio

La costruzione in LEO della Stazione Spaziale Internazionale ha segnato una svolta nell'esplorazione spaziale, per la prima volta gli astronauti che partivano a bordo degli Shuttle o delle Sojuz avevano una meta da raggiungere, un posto accogliente dove arrivare.
Abitata continuamente dal 2 novembre 2000, la ISS (International Space Station), è un esclusivo laboratorio di ricerca in condizioni di microgravità, dove si svolgono osservazioni ed esperimenti nei campi della fisica, astronomia, chimica, ingegneria dei materiali, biologia, medicina e molto altro altro.

Lo Space Launch System

Con la conclusione del programma Space Shuttle, l'agenzia spaziale americana ha intrapreso un nuovo programma che ha come obiettivo quello di portare regolarmente gli equipaggi oltre l'orbita terrestre bassa, fin sulla luna e oltre verso il pianeta Marte.
Lo Space Launch System, con le sue grandi potenzialità, rappresenta il futuro nell'esplorazione spaziale.

Non solo la NASA

Se, fino a 10 anni fa, l'esplorazione dello spazio era esclusivo appannaggio di Stati Uniti e Russia, di recente sono apparsi alla ribalta altri attori che stanno velocemente progredendo nel loro programma spaziale, questi rappresentano pressioni competitive e opportunità di collaborazione per puntare ad obiettivi sempre più ambiziosi.

Alla prossima.