Lo Space Shuttle, Parte II

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
• Sistemi di Propulsione
• Abitacolo Pressurizzato
• Cargo Bay
• Sistema di Protezione Termica

Struttura

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

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.

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

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

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.

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.

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.