Lo Space Shuttle
La Storia del progetto
Il progetto Space Shuttle nasce negli anni '60 quando la NASA rileva l'esigenza di dotarsi di un veicolo spaziale che potesse rientrare sulla terra, con un atterraggio convenzionale, su un normale aeroporto.
Questo veicolo, inoltre, avrebbe dovuto essere riutilizzabile per un gran numero di missioni, in modo da diminuire drasticamente il costo dei lanci spaziali.
Le prime esperienze in questo settore (anno 1959) sono quelle effettuate con l’aerorazzo North American X-15 (un mezzo al limite tra aereo e veicolo spaziale).
Altri esperimenti furono poi condotti con strani velivoli sperimentali, i cosiddetti "lifting bodies", che servirono a dimostrare la fattibilità delle tecnologie da applicare ad un tale progetto. Queste macchine volanti erano prive di appendici alari e ad esse appartiene una serie di progetti (in gran parte rimasti allo stadio teorico) che avevano lo scopo di verificare la fattibilità di un’astronave capace di rientrare nell’atmosfera ed atterrare in maniera convenzionale, come un qualsiasi aeroplano.
Il 31 Gennaio 1969 la NASA inviava alle maggiori industrie aerospaziali statunitensi una "richiesta di offerta" (ovvero una RFP - Request for Proposal) per la progettazione di un sistema di trasporto spaziale riutilizzabile.
La gara veniva vinta il 26 Luglio 1972 dalla Rockwell International, che presentava un progetto nel quale lo Space Shuttle Transportation System (come viene definito dalla NASA il sistema di trasporto spaziale) era costituito da un una navetta (chiamata anche Orbiter), un serbatoio esterno per l’idrogeno e l’ossigeno liquido (che avrebbero alimentato i tre motori principali della navetta durante la fase preorbitale) e da due booster a propellente solido (SRB).
Il primo esemplare della navetta, l’Enterprise (l'OV-101), destinata alle prove di volo, usciva dalla fabbrica il 17 Settembre 1976, mentre pochi giorni dopo venivano completate le modifiche all’aereo Boeing 747 destinato ad ospitarla sul dorso durante le prove e che, durante la fase di routine delle missioni, avrebbe costituito il mezzo di trasporto per tutte le navette nei trasferimenti dall’aeroporto di atterraggio al Kennedy Space Center.
Mentre l'Enterprise effettuava le prove in volo, prima con i voli vincolati sul dorso del Boeing 747 e poi con gli atterraggi planati sulla pista dell’aeroporto della base di Edwards, venivano completati i lavori sull’esemplare OV-102 (denominato poi Columbia), che era approntato per il primo lancio mediante l’assemblaggio con il serbatoio principale ed i due booster.
Finalmente il 12 Aprile 1981, con un ritardo di circa quattro anni sulla data inizialmente prevista, la prima missione (definita in codice STS-1) prendeva il via dal Kennedy Space Center, ai comandi degli astronauti John Young e Robert Crippen; ad essa successivamente seguiranno quelle degli altri tre esemplari costruiti : il Challenger (l'OV-099), il Discovery (l'OV-103) e l’Atlantis (l'OV-104).
A seguito della distruzione del Challenger, avvenuta il 28 Gennaio 1986, che provocava la morte dell’intero equipaggio di 7 astronauti (del quale faceva parte un'insegnante), il programma però subiva una interruzione di circa 36 mesi, nel corso dei quali venivano apportate profonde modifiche a quei componenti del sistema (i boosters) che erano stati all’origine del disastro.
Le missioni dello Space Shuttle riprendevano quindi con regolarità ed il Challenger veniva sostituito dall’Endeavour (OV-105), che riportava a quattro il numero delle navette disponibili.
Le missioni sono così continuate fino ai giorni nostri ed è previsto che esse continuino almeno fino all’anno 2000.
Infatti, nei prossimi anni lo Space Shuttle porterà in orbita gli elementi che serviranno per l'assemblaggio della Stazione Spaziale Internazionale, che sarà la più grande struttura mai costruita dall'uomo nello spazio.
La NASA sta però già portando avanti gli studi per dare un successore allo Space Shuttle, in quanto le navette dovranno essere ritirate dal servizio al raggiungimento della loro vita operativa che è stimata in poche decine di lanci per ogni esemplare.
Lo Space Shuttle è il veicolo spaziale più complesso e costoso mai costruito. E’ costituito da quattro componenti principali: la navetta (o Orbiter), i motori principali (o SSME - Space Shuttle Main Engines), i boosters a propellente solido (o SRB - Solid Rocket Boosters) ed il serbatoio principale (o ET - External Tank).
La navetta è un veicolo spaziale simile ad un aereo con ali a delta ed è la parte dello Space Shuttle che trasporta l’equipaggio ed il carico utile. Le sue dimensioni sono equivalenti a quelle di un aereo di linea; è lunga infatti 34 metri, ha una apertura alare di 24 metri circa ed è alta 17 metri.
La fusoliera della navetta contiene la cabina dell’equipaggio, il vano di carico, i motori per le manovre orbitali (o OMS - Orbital Maneuvering System) ed alla sua parte posteriore sono fissati i tre motori principali.
La cabina per l’equipaggio è composta da due livelli:
• in quello superiore vi è la cabina di pilotaggio e, nella sua parte posteriore, i comandi dei sistemi del vano di carico e del braccio manipolatore . Vi è inoltre un finestrino che guarda direttamente nel vano di carico;
• in quello inferiore, che è invece la zona adibita all’alimentazione ed al riposo degli astronauti, vi è la camera pressurizzata per l’accesso al vano di carico e l’esecuzione delle attività extraveicolari (le cosiddette passeggiate spaziali).
La navetta può ospitare da 2 a 8 astronauti e può restare in orbita fino ad un massimo di quattordici giorni; fa eccezione la navetta Endeavour, l’ultima della serie, che può rimanere in orbita fino a 28 giorni.
Il vano di carico è accessibile dall’esterno attraverso un’apertura sul dorso, che viene protetta durante la fase di lancio e di rientro da due portelloni. Quando la navetta è in orbita i due portelloni debbono rimanere in posizione aperta in quanto su di essi sono installati i radiatori dell’impianto di raffreddamento e, qualora non fosse possibile aprirli, la navetta sarebbe costretta a rientrare sulla Terra entro un tempo massimo di otto ore.
Nel vano di carico possono essere trasportati satelliti o equipaggiamenti scientifici oppure possono essere installati i laboratori Spacelab o Spacehub. Il carico massimo trasportabile in orbita è di 28000 chilogrammi. All’interno del vano di carico è installato il braccio manipolatore (ovvero RMS - Remote Manipulator System), un braccio meccanico articolato che, grazie alle sue possibilità di movimento ed alla forma della sua estremità può afferrare satelliti ed altri oggetti, muovendoli e ruotandoli. Su questo braccio può, inoltre essere installata una piccola piattaforma alla quale vengono agganciati i piedi degli astronauti quando effettuano attività extraveicolari nel corso delle quali devono operare su un satellite per effettuare delle riparazioni. Questo sistema consente maggiore stabilità in condizioni di assenza di gravità. Il braccio manipolatore è comandato da un astronauta che agisce sugli appositi comandi collocati nella parte posteriore della zona superiore della cabina.
(SSME - Space Shuttle Main Engines)
I motori principali forniscono alla navetta la spinta necessaria per raggiungere l’orbita. Sono collocati nella parte posteriore della navetta ed utilizzano come carburante una miscela di idrogeno liquido ed ossigeno liquido. Ciascun motore fornisce una spinta di circa 170.000 chilogrammi, che può essere regolata in un intervallo che va dal 65% al 109%.
Qualora uno dei motori non fornisse il 100% della spinta durante la fase ascensionale, la navetta non potrebbe raggiungere l’orbita prestabilita.
Dopo ogni missione i motori sono sbarcati dalla navetta per essere sottoposti ad una minuziosa revisione generale. Per questo motivo i motori sono imbarcati a rotazione sulle varie navette.
(ET - External Tank)
Il carburante consumato dai motori principali è contenuto in un serbatoio esterno, che viene attaccato al ventre della navetta (gli americani chiamano questa configurazione "piggy-back").
Il serbatoio è lungo 47 metri ed ha un diametro di 8 metri e mezzo. Esso è costituito da due compartimenti separati: quello superiore contiene circa 37.800 litri di ossigeno liquido, mentre quello inferiore contiene circa 101.200 litri di idrogeno liquido.
Il carburante deve essere mantenuto ad una temperatura di oltre 100 gradi centigradi sottozero e, per questo motivo, il serbatoio è ricoperto da un tessuto schiumoso coibente di colore arancione che impedisce la formazione di ghiaccio sulla superficie esterna del serbatoio stesso.
Il serbatoio esterno è l’unica parte "spendibile" dello Space Shuttle e viene perduta quando, esauritosi il carburante, si stacca dalla navetta e rientra nell’atmosfera incendiandosi.
(SRB - Solid Rocket Boosters)
I boosters dello Space Shuttle sono i più grandi razzi a propellente solido mai costruiti. Sono alti circa 45 metri e mezzo, hanno un diametro di 3 metri e 66 centimetri e producono una spinta di 1.202.040 chilogrammi di spinta al decollo. Nel cono anteriore di ogni booster sono alloggiati i tre paracadute che ne consentono il recupero dopo ogni lancio.
L’ugello del booster può ruotare per un ampiezza di circa 7 gradi in modo da consentire una limitata regolazione della direzione della spinta
L’intero complesso Space Shuttle, pronto al decollo, è formato dalla navetta con i suoi tre motori, il serbatoio esterno ed i due boosters. Questa configurazione è alta 56 metri e pesa circa 2 milioni di chilogrammi.
I lanci della navetta Space Shuttle vengono effettuati dal Kennedy Space Center (KSC) in Florida, comunemente noto come "Cape Canaveral".
Per ogni lancio sono richiesti mesi di preparazione; dopo l’arrivo al KSC a bordo del Boeing 747 appositamente attrezzato (nel caso il volo precedente si sia concluso nella base dell'aviazione di Edwards in California), la navetta viene trasportata nel cosiddetto OPF (Orbiter Processing Facility) un gruppo di tre edifici alti oltre 30 metri, dove possono essere ospitate fino a tre navette simultaneamente. Qui la navetta viene controllata in ogni minimo particolare e vengono effettuate le eventuali riparazioni o le sostituzioni dei componenti difettosi; ognuna delle 32.000 piastrelle del rivestimento termico viene controllata ed eventualmente sostituita. E’ sempre in questa fase che i satelliti o il laboratorio da trasportare in orbita vengono installati nel vano di carico; vengono infine installati nuovi motori revisionati. L’intera operazione richiede dalle quattro alle sei settimane.
A questo punto la navetta viene trasferita, utilizzando un apposito veicolo, in un edificio chiamato VAB (Vehicle Assembly Building) dove viene preparata ed allestita per il lancio. Il VAB, con i suoi 160 metri di altezza è l’edificio più grande del mondo per volume occupato su un solo piano. E’ in questo edificio che la navetta viene collegata al serbatoio esterno ed ai razzi boosters, che sono stati revisionati e riforniti di propellente dopo il rientro da un precedente lancio. L’intero complesso viene quindi sollevato in posizione verticale. L’operazione di assemblaggio richiede dalle quattro alle sei settimane.
Lo Space Shuttle viene poi collocato sulla piattaforma di lancio mobile che viene portata nella posizione definitiva di lancio da un enorme veicolo cingolato (chiamato "crawler") lungo 40 metri e largo 34; questo veicolo impiega circa sei ore per percorrere una distanza di poco meno di sei chilometri.
Ci sono due piattaforme di lancio idonee per lo Space Shuttle; esse sono indicate rispettivamente con le sigle 39-A e 39-B.
Il conto alla rovescia inizia a T-43 (43 ore prima del lancio) ed il riempimento del serbatoio esterno con l’idrogeno liquido e l’ossigeno liquido richiede circa 3 ore (da T-6 a T-3). L’equipaggio si imbarca sulla navetta circa due ore prima del lancio. A quattro secondi dal lancio vengono accesi i motori principali, mentre l’accensione dei boosters avviene immediatamente prima del lancio stesso.
Quando la navetta si stacca dalla piattaforma (lift-off) e ne oltrepassa l’estremità, il controllo della missione passa dal Kennedy Space Center al Johnson Space Center (JSC) di Houston in Texas.
Dopo 50 secondi dal lancio lo Space Shuttle raggiunge una quota di circa 11.000 m e supera la velocità del suono.
A due minuti e quattro secondi dal lancio i boosters esauriscono il carburante e si sganciano scendendo, appesi ad un paracadute, nell’Oceano Atlantico dove vengono recuperati da due navi della NASA.
La separazione del serbatoio principale avviene dopo circa 7 minuti dal lancio.
Quando la navetta raggiunge l’apogeo della sua orbita, dopo 45 minuti dal lancio, entrano in funzione i due motori del sistema di manovra orbitale (OMS), posti alla base della deriva, che portano la navetta nella sua orbita definitiva a circa 300 chilometri di altezza.
Sono previste quattro procedure di emergenza durante il lancio, in funzione del momento in cui dovesse verificarsi l’ipotetica avaria. La prima è quella che, durante i primi quattro minuti, prevede l’effettuazione di una complessa manovra per permettere il rientro sulla base di KSC. Se l’avaria di un motore principale avviene tra i quattro minuti e trenta secondi ed i sei minuti dal lancio, la navetta ha accumulato abbastanza energia per superare l’Oceano Atlantico e pertanto è possibile un atteggio in Marocco, Senegal, Gambia o Spagna, in funzione dell’inclinazione prefissata dell’orbita.
Se l’avaria si manifesta dopo sei minuti dal lancio, la navetta può effettuare un’orbita bassa e rientrare sulla Terra atterrando in California. Nel caso, infine, in cui l’avaria si verificasse dopo sei minuti e trenta secondi dal lancio, è possibile incrementare la spinta dei motori efficienti fino al 109 % ed utilizzare i motori del sistema di manovra orbitale in maniera da raggiungere un’orbita temporanea che consenta di effettuare un rientro in piena sicurezza.
Nello Space Shuttle viene creata un’atmosfera artificiale composta per l’80 % di azoto ed il 20 % di ossigeno ad una pressione di 1 atmosfera. L’aria, che viene fatta circolare nella cabina grazie ad alcuni ventilatori, è fatta passare attraverso filtri che debbono essere puliti giornalmente e cambiati con regolarità. Nei filtri vi sono delle pasticche di idrossido di litio, che hanno la funzione di assorbire il biossido di carbonio, che in alta concentrazione è nocivo per la respirazione.
Sulla navetta sono installati alcuni armadietti, nei quali possono essere stivati oggetti morbidi, materiali sfusi e cibo. Questi armadietti, che sono di due dimensioni diverse, sono intercambiabili e sono fissati alle pareti con degli attacchi; possono essere inoltre rimossi ed installati in volo dall’equipaggio. La struttura degli armadietti è formata, per motivi di leggerezza e resistenza, da una struttura in nido d’ape di Kevlar. All’interno vi sono dei divisori che hanno la funzione di ridurre i possibili movimenti degli oggetti causati dall’assenza di peso. In aggiunta a questi armadietti vi sono alcuni sacchi, che vengono utilizzati per conservare gli equipaggiamenti di lancio, quali elmetti, cinture, stivali, ecc.
Gli astronauti fanno tre pasti giornalieri, variamente assortiti, che comprendono sia cibi freschi che liofilizzati, nonché vari tipi di bevande. I cibi liofilizzati, prima di essere consumati, vengono inseriti in un’apposita macchina, definita "stazione di reidratazione", che reimmette l’acqua nei cibi ed ha anche la funzione di fornire l’acqua potabile all’equipaggio. Questa apparecchiatura immette automaticamente la necessaria quantità d’acqua nei cibi e li riscalda.
La pietanza da reidratare è contenuta in un apposito contenitore che viene aperto con estrema cautela per evitare che pezzetti di cibo inizino a galleggiare all’interno dell’abitacolo.
La procedura per la preparazione delle bevande è analoga; il contenitore delle bevande è chiuso e, per bere, gli astronauti usano una cannuccia che viene tenuta chiusa con una specie di pinzetta, che si apre solo al momento in cui il liquido viene aspirato.
Tutto il necessario per la preparazione dei pasti è contenuto in un mobiletto (definito "galley") all’interno del quale si trovano la "stazione di reidratazione", un forno per il riscaldamento dei cibi ed i carrelli per le vivande.
La giornata di 24 ore viene divisa in un periodo di riposo di 8 ore ed un periodo di 16 ore di attività.
Gli astronauti dormono dentro una specie di "sacco a pelo" (detto "sleeping bag"), che viene fissato con delle cinture ed ancorato alla struttura della navicella tramite appositi attacchi oppure si utilizza una struttura rigida chiamata "stazione del sonno", che può essere considerato una specie di letto spaziale.
Sulla navetta Space Shuttle sono installati degli ausili (maniglie, corrimano, scale e piattaforme) che facilitano il movimento del equipaggio in condizioni di assenza di peso. Vi sono inoltre fermapiedi costituiti da strisce adesive che vengono fissate al pavimento ed alle quali è possibile agganciare uno o tutti e due i piedi; è possibile collocarle nella posizione voluta e possono essere riposizionate ogniqualvolta lo si ritiene necessario.
Per l'effettuazione delle attività extraveicolari (le cosiddette "passeggiate spaziali"), gli astronauti dispongono di speciali tute che ricreano l’ambiente necessario per la vita umana, garantendo un ambiente pressurizzato ed un'atmosfera respirabile.
La prima operazione che viene effettuata prima del rientro sulla Terra è quella della chiusura dei portelloni del vano di carico. Qualora ciò non fosse possibile, un astronauta deve effettuare una passeggiata spaziale per rimuovere quattro perni che consentono la chiusura manuale. La navetta non può rientrare nell’atmosfera con i portelloni aperti.
La navetta rientra nell’atmosfera con il ventre rivolto verso la superficie terrestre ed il muso in avanti. La protezione dal calore generato dall’attrito con l’atmosfera è costituita da 32.000 piastrelle di vetro-silicio che hanno dimensioni che vanno da 15X15 centimetri a 20X20 centimetri, con uno spessore compreso tra 1 e 10 centimetri.
Queste piastrelle, che debbono sopportare le temperature più elevate (quali nelle zone del ventre e del naso della navetta), sono verniciate di nero e resistono fino alla temperatura di 610° Centigradi e restituiscono all’atmosfera il 90 % del calore.
Le restanti piastrelle, che ricoprono la parte superiore e laterale della fusoliera e delle ali della navetta, sono verniciate di bianco e resistono fino a 550° Centigradi.
Durante la manovra di rientro, a causa del fenomeno di ionizzazione, causato dal riscaldamento dell’aria intorno alla navetta, si verifica una interruzione delle comunicazioni radio, che inizia 25 minuti prima dell’atterraggio e dura circa 13 minuti.
Negli ultimi 16 minuti di volo, la navetta effettua quattro manovre ad S per ridurre la velocità di discesa; durante queste manovre viene dissipata energia cinetica a similitudine di quanto avviene per uno sciatore di slalom. L’ultima manovra ad S è effettuata 5 minuti prima dell’atterraggio, quando la navetta ha ancora una velocità pari al doppio di quella del suono e si trova ad una quota di 25.000 metri. A 86 secondi dall’atterraggio la navetta ha ridotto la sua velocità a circa 680 chilometri orari ed è ad una quota di 4.000 metri.
L’estrazione del carrello viene effettuata 14 secondi prima dell’atterraggio ed il contatto con la pista avviene a circa 340 chilometri orari. Quando tutte e tre le ruote sono in contatto con il suolo, viene estratto un piccolo paracadute freno che rallenta la corsa di atterraggio diminuendo lo "stress" sui freni del carrello.
Tutta la manovra di atterraggio è effettuata senza l’uso dei motori e la navetta si comporta di fatto come un gigantesco aliante.
Quando la navetta si arresta sulla pista, una piccola carovana di mezzi si avvicina e personale protetto da speciali tute controlla che tutto intorno ad essa non vi sia una nuvola di vapori tossici, che potrebbero essere stati prodotti nella fase di rientro; nel caso fosse necessario la superficie della navetta viene ventilata con potenti getti d’aria.
Solo quando l’aria è considerata sicura viene aperto il portello e l’equipaggio può lasciare il mezzo spaziale.
Il 28 gennaio 1986 la navetta Challenger andò distrutta dopo 73 secondi dal lancio, uccidendo l'intero equipaggio della missione STS-51-L. La causa fu un guasto a una guarnizione, detta O-ring, nel segmento inferiore del razzo a propellente solido (SRB) destro[104]. Questa era la venticinquesima missione del programma e il decimo volo del Challenger. L'indagine della Commissione Rogers evidenziò la cattiva gestione del programma da parte della NASA: Il problema che ha causato l'incidente era già stato identificato ma sottovalutato a causa di un miope approccio e di una mancanza di dialogo tra i vari responsabili. Il rapporto rivelò inoltre che i rischi delle missioni erano superiori a quanto stimato.
L'incidente Shuttle Columbia e la decisione di cancellare il programma
Il 1º febbraio 2003 l'Orbiter Columbia, dopo che il rivestimento esterno dell'ala sinistra rimase irreparabilmente danneggiato da un frammento del rivestimento schiumoso del serbatoio esterno staccatosi al momento del lancio, si disintegrò durante la fase di rientro atmosferico uccidendo tutti i membri del suo equipaggio. Ancora una volta venne messa in discussione la gestione del programma da parte della NASA: l'anomalia che aveva portato al disastro era già nota, ma non venne mai risolta
Facendo eco all'approccio del Presidente John Kennedy, George W. Bush chiese alla NASA di realizzare un programma che consentisse di effettuare viaggi sulla Luna entro il 2020. Questo programma prese il nome di Programma Constellation. Si stabilì inoltre che i voli dello Shuttle dovessero terminare entro il 2010, quando la Stazione Spaziale Internazionale doveva essere completata.
Nel 2010, il presidente neoeletto Barack Obama, cancellò il Constellation per motivi di bilancio e protrasse la vita dello Shuttle fino alla prima metà del 2011, con la missione conclusiva STS-135 effettuata l'8 luglio
Il 21 luglio 2011, con l'atterraggio al Kennedy Space Center dell'STS-135 Atlantis, lanciato l'8 luglio 2011, si conclude ufficialmente l'era dello Space Shuttle.