Breve Storia dell'Astronautica

di Patrizio Claudio Casiraghi

 

Tecnica Astronautica - Parte 6. Ritorno sulla Terra.

Gli astronomi sapevano da tempo che quando un asteroide impatta l'atmosfera di un pianeta esso tende ad arroventarsi per l'attrito con l'aria. Inizialmente i pionieri dell'astronautica pensavano che acciai speciali fossero in grado di far passare indenne un veicolo dallo spazio alla superficie terrestre. I primi esperimenti a velocità supersoniche però indicarono che oltre i 3.000 km/h l'aria, che normalmente ha un effetto raffreddante a velocità più basse, iniziava a riscaldare le superfici dei veicoli. Ancora oggi infatti gli aerei che superano tale limite sono costruiti con materiali speciali che Illustrazione di un meteorite che brucia a contatto con l'atmosfera li rendono costosi e di difficile progettazione. I satelliti potrebbero essere dotati di "retrorazzi" che frenino la loro velocità entrando in atmosfera a basse velocità, ma frenando il satellite perde quota troppo rapidamente ed incontra l'atmosfera terrestre con una velocità ancora eccessiva. Inoltre imbarcare sul satellite il carburante per una simile manovra significa un aggravio di pesi, e di costi, insostenibile. Così i primi satelliti erano "usa e getta". Si trattava comunque di manufatti di dimensioni contenute che si disintegravano nell'atmosfera terrestre al termine della loro vita. Molti satelliti però, come quelli geostazionari, non possono semplicemente cadere, perché si rischia che entrino in collisione con altri manufatti o c'è il rischio che alcuni pezzi non si disintegrino completamente e cadano su centri abitati procurando danni a cose e persone. Per questo oggi si usa spostarli su orbite sicure, note anche come orbite cimitero, dove i satelliti vanno a porsi, sicuri che lì non verranno mai piazzati satelliti attivi o che non vi transiteranno mai veicoli abitati. In queste orbite i satelliti continueranno ad orbitare attorno alla Terra per almeno qualche migliaio di anni senza la necessità d'interventi umani. Si spera che nel futuro l'umanità saprà come sbarazzarsi di tutta quella rottamaglia orbitante. Però non tutti i veicoli che partono per lo spazio devono restarci indefinitamente. E possibile che il profilo della missione preveda che il veicolo ritorni intero, o in parte, sulla superficie terrestre. La cosa più ovvia è realizzare un involucro con un adeguato spessore che possa affrontare l'attrito con l'atmosfera e che si consumi. Ovviamente lo spessore è calibrato perchè al termine della fase d'attrito la struttura rimanga integra quel tanto che basta per sopportare le sollecitazione dell'atterraggio. In gergo questo lo si definisce lo "scudo termico". I primi scudi termici erano piastre o involucri d'acciaio di grande spessore, poi si passò agli scudi termici multistrato ed a quelli ablativi, che ne sono una variante d'uso ormai diffuso. Lo scudo ablativo è composto da più strati di acciai di diversa composizione. Per effetto dell'attrito il calore scalda lo scudo fino alla fusione. Nei punti più critici la temperatura sale anche a 3.000 °C (nella caduta incontrollata si arriva anche a temperature superiori). A quelle temperature non ci sono materiali capaci di resistere a lungo e la materia da solida passa allo stato di plasma. Il metallo tende a liquefare e ad essere sospinto via dalla pressione dell'aria. il metallo fuso che "scorre" sopra allo strato sottostante lo raffredda. Ecco il principio dell'ablazione. Pertanto l'attrito dell'aria, dopo aver rimosso il primo strato deve ricominciare da capo con il secondo e così via. Se poi allo scudo ablativo s'aggiunge una forma aerodinamica particolare, è possibile fare sì che il veicolo attraversi l'atmosfera e contemporaneamente riesca a frenare senza consumare combustibile. In genere i veicoli di grossi dimensioni adatti al rientro hanno una forma conica o simile che a velocità (molto) supersoniche si comporta come un'ala. Però tale veicolo ha la necessità di un sistema di guida che lo mantenga sempre orientato secondo un certo angolo, altrimenti il rischio di un drastico cambio d'assetto diventa molto reale con conseguente perdita del veicolo. Grazie quindi all'azione della forma del veicolo è possibile dotarlo di un sistema di controllo solo dell'assetto e quindi occorre solo un piccolo serbatoio di combustibili per le manovre. I progressi della chimica hanno però messo a disposizione anche nuove sostanze in grafite ceramiche molto resistenti al calore. Esse hanno la capacità di resistere per un tempo prolungato alle sollecitazioni termiche in fase di rientro, permettendo la realizzazioni di veicoli capaci di ritornare sulla Terra ed essere riutilizzabili ulteriormente, mentre i veicoli a rientro diretto o quelli dotati di scudi ablativi, una volta rientrati sono inutilizzabili. Questi potrebbero anche essere realizzati con scudi asportabili, ma la tecnologia non consente ancora un loro utilizzo sicuro pertanto se si cerca la riutilizzabilità si ricorre al sistema Illustrazione di come è composta una piastrella termica HRSI dello Space Shuttle delle piastrelle in ceramica e grafite. [A destra illustrazione di come è composta una piastrella termica HRSI dello Space Shuttle] Uno scudo fatto in un solo blocco di ceramica/grafite non è ancora realizzabile tecnicamente e se lo fosse sarebbe troppo fragile. Terminata la parte più pericolosa del rientro a terra ne inizia una non da meno, in quanto normalmente, i veicoli atterrano appesi a paracadute. Solo una serie diveicoli militari veniva raccolta in volo quando era ancora appesa al paracadute, ma il veicolo rientrante era di piccole dimensioni. Gli incidenti dovuti alla mancata apertura o all'apertura difettosa dei paracadute non sono mancati, alcuni con tragiche conseguenze. Il paracadute potrebbe essersi deteriorato nel volo spaziale o attorciliato e comunque il rischio che vada "in candela", come nel gergo paracadutistico, è sempre da tenere in considerazione. In alcuni casi, una volta aperto il paracadute il veicolo si libera della scudo termico principale, alleggerendosi, ed a questo punto atterra. Se il veicolo effettua un ammaraggio, la sua tenuta stagna ne garantisce la galleggiabilità. Se occorre si può dotare il veicolo di palloni che lo inclinano nella posizione più idonea al suo recupero. Quando invece si atterra, o ci sono degli speciali ammortizzatori o è possibile usare degli speciali retrorazzi che rendano più morbido l'impatto con il terreno. Altrimenti è possibile che il veicolo si sganci dal paracadute, si gonfiano degli speciali palloni che come air bag attutiscono l'impatto con il terreno, poi l'elaboratore di bordo stabilisce l'orientamento del veicolo e sgonfia i palloni in modo che il veicolo alla fine si trovi nella posizione più idonea. Quest'ultimo metodo è stato usato con successo per far atterrare i rover che esplorano Marte. Altri veicoli invece, terminata la parte termica del rientro, sono dotati di ali che consentono un volo planato verso una superficie aeroportuale. L'uso di propulsori aeronautici in quest'ultima fase al momento non è mai stato praticato nè progettato. Invece si è studiato l'uso di paraglider, sorte di deltaplani al posto dei paracadute, ma è tutto rimasto a livello di studio.

Il modulo di rientro Soyuz torna sulla Terra appeso ad un grosso paracadute

La capsula della missione Apollo 9 ed il suo scudo termico dopo il rientro

Il deltaplano di atterraggio della capsula Gemini durante un test

Il modulo di rientro della Soyuz torna sulla Terra appeso ad un grosso paracadute (Credit: Roscosmos)

La capsula della missione Apollo 9 ed il suo scudo termico dopo il rientro (Credit: NASA)

Il deltaplano di atterraggio della capsula Gemini durante un test (Credit: NASA)

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Ultimo aggiornamento 23/03/2017

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