L’atterraggio del primo stadio del Falcon9 – Rivoluzione nel modo di concepire le missioni spaziali.

Ripresa dal drone dell’atterraggio del primo stadio del Falcon9, sul nuovo “Landing Zone 1” a Cape Canaveral.
La SpaceX è una compagna spaziale privata, fondata da Elon Musk, che sta rivoluzionando il modo di concepire le missioni spaziali. Come già abbiamo parlato qui, la missione CRS-10 vede l’utilizzo della storica piattaforma LC-39A del Kennedy Space Center, utilizzata per il lancio di vettori pesanti come il Saturn V (programma Apollo) e dello Space Shuttle. Scelta non casuale, dato che la compagnia ha in programma di lanciare entro la fine del 2017 il Falcon9 Heavy, che fino al completamento del SLS da parte della NASA, sarà il razzo operativo più potente, secondo solo al vecchio Saturn V, che dovrebbe fare il suo debutto proprio da lì.

Fonte: appuntimania

Mandare un qualsiasi oggetto nello spazio significa doverlo sollevare, e quindi vincere la forza di gravità, dunque spendere energia. Essenzialmente, se un razzo decollasse in verticale ed accelerasse fino a raggiungesse una velocità inferiore alla velocità di fuga della Terra, l’oggetto tornerebbe a terra, anche se avesse raggiunto un altitudine di 1 milione di chilometri.
La velocità di fuga è la velocità per cui l’energia cinetica acquisita dalla navicella è uguale al lavoro massimo che compirebbe la forza di gravità per attirare la navicella verso terra in tutto il suo campo d’azione.

Dunque per arrivare allo spazio senza doversi allontanare dal pianeta o doverci cadere sopra, è possibile attraverso una via di mezzo: l’orbita.
L’orbita è un particolare tipo di traiettoria che permette ad un oggetto di rimanere intorno al corpo celeste senza ricaderci sopra, e persino scegliere una specifica altitudine, mantenendo una velocità inferiore alla velocità di fuga.

rappresentazione intuitiva delle geometrie che può assumere un’orbita e delle traiettorie dovute a velocità superiori alla velocità di fuga. Fonte: rmutphysics

 

Essenzialmente l’orbita è quella traiettoria per cui la forza centrifuga e la forza di gravità che agiscono sull’oggetto si controbilanciano. Affinché la forza centrifuga abbia la stessa direzione e verso contrario della forza di gravità del corpo celeste, l’oggetto deve avere come fulcro del suo moto di rotazione proprio il centro di gravità del pianeta.
Per darvi un esempio, sulla superficie terrestre esiste un’accelerazione centrifuga dovuta alla rotazione della terra che ha valor massimo all’equatore e decresce avvicinandosi ai poli. Al suo massimo vale circa 0,033m/s^2, molto inferiore al valore dell’accelerazione di gravità (9,81m/s^2), di ben 297 volte! Per questo motivo non percepiamo la rotazione della terra.
La terra dovrebbe ruotare 17 volte più velocemente (circa 7907m/s) affinché tutti gli oggetti sulla sua superficie non siano più soggetti alla forza peso, controbilanciata dalla forza centrifuga.

rappresentazione schematica con le formule che descrivono il fenomeno (usate in parte per calcolare i valori precedentemente enunciati). Fonte: HyperPhysics

E’ anche per questo motivo che gli astronauti in orbita si trovano in condizioni di “microgravità”, e non perché nello spazio la gravità non esista.

Dato che si parla comunque di velocità molto elevate (la velocità di fuga dalla Terra è di circa 11,2km/s), e la velocità di un oggetto in orbita bassa è di circa 7,5 km/s i razzi sono i mezzi attualmente più adatti per portare oggetti a così grandi velocità.

Seperazione del primo stadio ripresa da una telecamera sul retro del secondo stadio.
Fonte: SpaceX

Affinché i razzi mantengano un’efficienza massima sono divisi per “stadi“, cioè sezioni dotate di un proprio serbatoio di carburante e di propri motori. Ad esempio, quando viene acceso il primo stadio (che costituisce la stragrande maggioranza della massa del razzo), rimane in funzione finché ha carburante nei serbatoi. Quando il carburante finisce, si separa dal resto del razzo ed entra in funzione il secondo stadio. Ciò spesso avviene quando il razzo si trova già nello spazio (lo spazio comincia per convenzione sopra i 100 km), l’atmosfera è molto rarefatta  a quelle altitudine (considerata praticamente assente), il secondo ed eventualmente terzo stadio continua la sua ascesa quasi in orizzontale, per acquisire la velocità che gli permetta di raggiungere e mantenere l’orbita all’altitudine designata.

 

Realizzare una missione ha un costo enorme, dato che i vari stadi dei razzi (in genere molte configurazioni usano 3 stadi), sono essenzialmente “usa e getta”, cioè costruiti solo ed esclusivamente per lanciare il “payload” e destinati a ricadere a terra e venire distrutti dal calore dovuto al rientro in atmosfera. Dunque se l’agenzia “X” costruisce un satellite e lo vuole mandare nello spazio, dovrà pagare non solo il servizio ad un’altra compagnia “Y” che mette a servizio il razzo, ma anche il costo del razzo stesso, il che limita il range di possibili beneficiari del servizio.

La SpaceX ha come obiettivo di costruire razzi che siano riutilizzabili.

Falcon9 in atterraggio sulla “autonomous spaceport drone ship” nell’oceano. Fonte: SpaceX

Il Falcon9, l’attuale vettore usato dalla compagnia, è composto da un primo stadio capace di atterrare autonomamente su un punto specifico sulla superficie terrestre, dove c’è la “Landing Zone” designata per il suo atterraggio.

Questo significherebbe abbattere notevolmente i costi di ogni lancio, ampliando il range di clienti possibili e quindi rendere lo spazio più accessibile. Ciò combatterebbe il fenomeno della “space junk” (che a lungo andare potrebbe diventare un problema serio), nonchè una tappa essenziale per il raggiungimento dell’ambizioso fine ultimo della SpaceX: permettere all’umanità di colonizzare altri pianeti.

 

2 Commenti

  1. giorgio bianciardi

    Il futuro sta arrivando! Erano anni che aspettavamo questo successo da parte di Elon Musk. Realizzazione di quei missilini che vedevamo nelle illustrazioni dei fumetti di fantascienza o nei romanzi anni ’50 dello scorso secolo.
    Bravo Elon, portaci su Marte (suo obiettivo da sempre)

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