Il LEM, un piccolo “ragno” che fece un balzo da gigante

Per alcuni è stato la più grande farsa del XX secolo. Per altri il più grande spreco di denaro della storia degli Stati Uniti d’America. Ma per chi ha potuto partecipare al progetto Apollo o assistere alle imprese degli astronauti da un teleschermo o una radio, l’allunaggio è stata la più grande impresa compiuta dagli uomini del secolo scorso.

Lo sbarco dell’uomo sulla Luna è stato possibile grazie a capolavoro dell’ingegneria aerospaziale degli anni ’60, il Lunar Excursion Module, più noto come LEM. Il suo scopo era quello di far atterrare sul suolo lunare due dei tre membri dell’equipaggio della navicella Apollo con tutte le apparecchiature scientifiche necessarie ad eseguire le dovute rilevazioni e campionamenti. Dopo un tempo superiore alle 75 ore di esplorazione, il LEM consentiva di decollare dalla superficie lunare per raggiungere il modulo di comando e di servizio (CMS) rimasto in orbita attorno alla Luna che avrebbe dovuto riportare l’equipaggio sulla Terra.

Dopo aver studiato varie soluzioni per il raggiungimento della Luna, la NASA accantonò sia l’idea di un volo diretto Terra-Luna tramite un enorme razzo, sia quella di un assemblaggio in orbita terrestre di una navicella che si sarebbe poi diretta verso la Luna. La scelta finale ricadde sul Lunar Orbit Randezvous per il quale si rendeva necessario un unico razzo per il raggiungimento dell’orbita terrestre, ma il velivolo inviato verso la Luna doveva essere composto da due moduli indipendenti che si dividevano una volta raggiunta l’orbita lunare. Il modulo di esplorazione doveva portare gli astronauti sulla superficie lunare e, una volta completate le operazioni, una parte di esso avrebbe dovuto ri-decollare mediante un apposito motore per raggiungere il modulo rimasto in orbita attorno alla Luna. In definitiva, il comparto lunare si componeva da due distinte parti dette stadi: lo stadio di discesa permetteva di atterrare sulla Luna e, allo stesso tempo, fungeva da rampa di lancio per lo stadio di ascesa verso il CSM. L’intelaiatura del LEM fu realizzata per lo più in alluminio al fine di avere una struttura quanto più leggera possibile. Le varie parti vennero poi unite tra loro tramite rivettatura o saldatura; inoltre, dal momento che il velivolo doveva muoversi nello spazio, il problema dell’aerodinamicità era di trascurabile importanza e, pertanto, il LEM risultava privo di qualsiasi superficie di portanza. Ciò che ne venne fuori fu un velivolo di qualità estetiche scarsamente attraenti che gli valsero il soprannome di “ragno”.

Foto del modulo LEM dell’Apollo 11 sul suolo lunare.

Lo stadio di discesa

Lo stadio di discesa aveva una massa complessiva tra le 10 e le 11 tonnellate, peso comprensivo del corpo dello stadio, del propellente e del comburente ripartiti in appositi recipienti posti alla base dello stadio. La base del telaio aveva una forma ottagonale che lo rendeva, assieme alle 4 zampe telescopiche, visivamente simile ad un ragno. La struttura interna era composta da due paia di pannelli paralleli disposti a croce che delimitavano cinque compartimenti quadrati e quattro compartimenti triangolari. Il corpo esterno era ricoperto da numerosi strati di pellicole di materiale atto all’isolamento termico del modulo, visivamente riconoscibile come una sottile pellicola color oro, volgarmente chiamata “stagnola”, ma tecnicamente conosciuto come kapton, uno dei tanti materiali che vennero creati per l’occasione dalla Dupont per la NASA.

La funzione principale dello stadio di discesa era quella di portare il LEM dall’orbita lunare alla superficie lunare. Questo obiettivo veniva raggiunto tramite un apposito propulsore, noto come DPS (Discending Propulsor System), capace di fornire una spinta modulabile e orientabile, fino ad un massimo di circa 45 kN. La possibilità di variare la spinta permetteva di variare la velocità di discesa per garantire un allunaggio delicato. Questo avrebbe garantito di preservare quanto più propellente possibile e di garantire un l’integrità del telaio e le apparecchiature di bordo durante l’atterraggio. In seconda analisi, lo stadio di discesa doveva trasportare tutte le attrezzature e i materiali necessari al corretto compimento della missione. Infatti, nei quattro compartimenti triangolari della struttura di base erano contenute tutte le attrezzature scientifiche, i sistemi di telecomunicazione e i veicoli lunari.

Vista separata dei due stadi del modulo.

Lo stadio di ascesa

Lo stadio di ascesa aveva una massa complessiva di circa 4,5 tonnellate. Dalla forma estremamente complessa e asimmetrica tanto da conferirgli l’aspetto di una testa di insetto. Questa sezione fu il risultato di un progetto di sviluppo volto all’ottimizzazione dello spazio occupato che si divide per lo più tra la cabina per l’equipaggio e il vano per il motore. A differenza della fase di atterraggio, il decollo è assai più semplice e richiede al propulsore una spinta costante nel tempo. Il motore era posto molto in alto tanto che il vertice penetrava nella cabina, mentre i serbatoi erano disposti ai lati della cabina. Questo motore non aveva vettorizzatoru di spinta e le correzioni della traiettorie venivano effettuate da appositi motori di manovra, noti come RCS (Reaction Control System), situati ad ogni angolo del modulo, la cui azione combinata permetteva di agire lungo i tre assi di beccheggio, rollio e imbardata.

La prima parte della cabina pressurizzata ospitava il pilota ed il comandante che erano mantenuti in posizione eretta da apposite cinture. Ciascun astronauta aveva davanti a sé un piccolo oblò triangolare dal quale poteva osservare il suolo lunare con un buon angolo di vista. Inoltre, ognuno di essi poteva facilmente accedere ai comandi di volo e alla strumentazione di controllo, raggruppati in pannelli in base alla funzionalità. La parte posteriore della cabina pressurizzata era molto più piccola e ospitava il sistema di controllo ambientale, nonché uno dei due sistemi di sopravvivenza portatile (il primo si trova sotto al pavimento della cabina tra i due astronauti), i prodotti alimentari, le tute EVA con gli stivali ed i caschi… All’estremità superiore era presente un boccaporto utilizzato per passare nel modulo di comando; al di là della porta si trovava uno stretto tunnel equipaggiato di un sistema di bloccaggio utilizzato per connettere i due moduli.

Strumentazione in cabina di comando del modulo di salita.

Quando i due astronauti si apprestavano a rientrare, avviando la delicata fase di decollo, un imprevisto rischiò di rovinare la loro impresa e di condannarli a morte certa: la leva del motore di risalita si era infatti rotta, probabilmente urtata da uno dei due uscendo dal modulo. Evitando il panico, l’astronauta Aldrin cercó una soluzione e, alla fine, chiudendo il circuito elettrico con una penna riuscí a far ripartire i motori. I due potettero così decollare per tornare al modulo che li avrebbe riportati sulla Terra, dando origine ad una storia che continua ad affascinare intere generazioni di uomini e donne.

Foto del modulo LEM durante la missione spaziale Apollo 15.

Starship SN8 : il primo balzo verso Marte

Mercoledì 9 dicembre alle ore 23.45 italiane l’ottavo prototipo Starship è decollato con successo dalla base di SpaceX a Boca Chica in Texas, effettuando un volo di circa 7 minuti concluso con una spettacolare esplosione. Nonostante ciò, la maggior parte dei test sono stati superati e il volo è stato un successo dal valore inestimabile.

Starship è senza dubbio uno dei più ambiziosi progetti dell’azienza statunitense SpaceX. L’imponente razzo di 118 metri si compone di due stadi di cui il secondo prende il nome di Starship, analogamente all’intero razzo, mentre il primo di Superheavy. L’aspetto rivoluzionario di questo razzo è la possibilità di riutilizzo sia del primo che del secondo stadio. Questa caratteristica permetterà di abbassare sensibilmente i tempi di lancio ma soprattutto i costi di produzione. La rivoluzionaria navicella voluta da Elon Musk, tra i vari obiettivi, si prefigge il duplice scopo di portare l’uomo su Marte e di colonizzare in breve tempo il nostro satellite, la Luna.

Il primo stadio Superheavy e il secondo Starship che costituiscono l’intero razzo Starship.

Il prototipo SN8

SN8 è l’ottavo prototipo della serie SN e il primo completo del secondo stadio Starship, contrariamente all’idea iniziale di utilizzare materiali compositi in fibra di carbonio, è costruito interamente in acciaio inossidabile.

Schema che riassume i prototipi di Starship e Superheavy.

Questa scelta fu dettata essenzialmente da ragioni progettuali dovuti al fatto che una superficie in acciaio possiede una miglior resistenza ai gradienti termici che si sviluppano a causa dell’attrito durante il rientro in atmosfera. Con questo volo gli ingegneri della società statunitense hanno voluto analizzare il comportamento di alcune parti innovative, tra le quali le alette orientabili montate alla base e al vertice del razzo, i nuovi motori Raptor e gli scudi termici. Le appendici aerodinamiche sono state pensate per orientare il vettore orizzontalmente rispetto alla superficie terrestre stabilizzandone la discesa. Questo consente di diminuire sensibilmente la velocità di caduta, grazie alla resistenza aerodinamica generata dalla maggior superficie a disposizione e ciò permette di adottare scudi termici più sottili e quindi meno pesanti, in virtù della minor energia termica. Inoltre questa soluzione consente di non dover sprecare carburante per rallentare il razzo.

Immagine scenografica del secondo stadio la sera prima del lancio.

SN8 è dotato di 3 motori Raptor per volo atmosferico, mentre gli altri 3 sono adibiti al volo spaziale e non sono stati montati visti gli scopi del test. Il Raptor é uno dei nuovi motori sviluppati da SpaceX e adotta molte soluzioni innovative che conferiscono al sistema propulsivo una straordinaria efficienza. Quest’ultimo presenta la classica configurazione di un motore a propellente liquido con due serbatoi adibiti allo stoccaggio del combustibile e del comburente in pressione, uno o due turbocompressori che mandano il propellente in pressione nella camera di combustione, il quale, a processo ultimato, viene espulso da un ugello per generare la spinta. Uno degli aspetti interessanti di questo motore é il ciclo chiuso con cui è stato progettato. Solitamente, per alimentare il compressore viene utilizzata una turbina fatta muovere dalla combustione che avviene in un pre-bruciatore, il quale utilizza il propellente con una miscela ricca (eccesso di combustibile in relazione al rapporto stechiometrico) i cui prodotti, non solo non contribuiscono alla spinta, ma sono anche composti da propellente incombusto che viene quindi sprecato. Il sistema del Raptor invece, recupera i gas combusti in cui é presente combustibile non sfruttato, reimmettendoli in camera di combustione.

Ma come avviene questo processo? Vengono utilizzati due pre-bruciatori (pre-burner), uno che lavora in condizione ricche e alimenta la turbina connessa alla pompa del carburante, l’altro che lavora in condizioni magre e alimenta la turbina connessa al compressore del comburente. Dai due passa tutto il propellente e, dopo aver estratto l’energia di combustione sufficiente per alimentare le turbine, i prodotti vengono inviati in camera di combustione. Questo sistema a fasi a flusso completo aumenta l’efficienza complessiva, in quanto preriscalda il propellente favorendo la combustione, e fa sì che neanche una minima parte di carburante sia sprecata e non utilizzata per la propulsione. Inoltre, il Raptor utilizza una miscela combustibile/comburente formata da metano e ossigeno che, oltre a generare una combustione pulita e essenzialmente poco inquinante (i prodotti di combustione sono anidride carbonica e acqua), offrono un impulso specifico molto elevato.

I 3 Raptor montati su Starship. Lo spazio vuoto ospiterà altri 3 Raptor progettati per funzionare in assenza di atmosfera.

Sulla pancia del razzo sono montate anche delle tegole esagonali di materiale refrattario e ablativo che serviranno come scudo termico e la cui resistenza meccanica è stata testata durante il volo. La presenza dello scudo termico è necessaria perché nella prima fase di rientro, l’atmosfera è troppo rarefatta per garantire controllo aerodinamico ma la velocità è tale che le superfici sono sottoposte a temperature elevate che, senza scudo termico, determinerebbero la fusione della struttura del razzo.

Alcune piastrelle di scudo termico montate su SN8 per essere testate.

Il Volo di SN8

Dopo un inaspettato rinvio del volo, previsto alle 22.40 ore italiane, a causa di un velivolo privato entrato nello spazio aereo dello Starship SN8, probabilmente per avere una visuale privilegiata sul lancio, alle ore 23.45 i motori del secondo stadio si accendono e il razzo decolla senza problemi. Durante l’ascesa due dei tre motori Raptor si spengono (non sappiamo se volutamente o meno) lasciando la SN8 a galleggiare nei cieli fino allo spegnimento dell’ultimo motore. A quel punto inizia la discesa verso il suolo e il razzo si orienta perfettamente in posizione “supina” grazie alle alette aerodinamiche, favorendo l’azione di rallentamento dell’attrito aerodinamico.

Schema riassuntivo delle fasi del test di SN8.

Poco dopo, ultimata la fase di discesa orizzontale, i motori si riaccendono riportando il razzo in posizione verticale, tuttavia la velocità è troppo elevata e una volta toccato il suolo l’esperienza del volo di test della Starship SN8 si conclude con una spettacolare esplosione. Nonostante questo finale, Elon Musk, che aveva dato alla perfetta riuscita del test una probabilità pari al 30% ,si è mostrato sin da subito positivo, annunciando che il test è stato un successo e ha permesso di catturare una mole di dati molto importanti per la continuazione del progetto Starship che un giorno si promette di portare l’uomo su Marte.

Il momento della spettacolare esplosione del razzo SN8.

Star Wars: George Lucas e l’amore per lo spazio

Nato un anno prima della fine della seconda guerra mondiale, George Lucas ha trasformato il fascino della fanciullezza in un’epopea spaziale.

Era il 1977 quando la mente di George Lucas, uno dei registi più amati nel genere fantascientifico, partorì uno dei progetti più ambiziosi e rivoluzionari che la storia del cinema abbia mai conosciuto: Guerre stellari. Le difficoltà che contraddistinsero questo colossale progetto furono molte a partire dallo scarso budget a disposizione della Lucasfilm, la casa produttrice che finanziò la trilogia originale, e dalla totale mancanza della computer grafica (CGI). Per questi motivi gli scenografi e lo stesso regista si trovarono a dover affrontare sfide quasi insormontabili, tra le quali la creazione di tutta la serie di macchine, robot e oggetti che avrebbero caratterizzato l’universo di Star Wars. Molte intuizioni per la creazione di questi oggetti furono ispirate da parti di velivoli aeronautici. Si racconta infatti che George Lucas, dal momento che stava girando delle scene nell’ex capannone della Rolls Royce, Leavesden Aerodome, mandò i suoi collaboratori a rovistare tra i resti e i pezzi di alcuni aerei dismessi per trovare qualcosa da poter utilizzare sul set.

Il Podracer

Una delle scene più spettacolari del primo capitolo della trilogia prequel “Star Wars – La minaccia fantasma” è senza dubbio la gara con gli sgusci (podracer) che si svolge annualmente nel pianeta di Tatooine. In questo evento, il giovane schiavo Anakin Skywalker riesce a riacquistare la propria libertà vincendo e aggiudicandosi il primo posto. Dall’ immagine sotto riportata, che immortala il momento prima della partenza, si nota immediatamente come queste potenti macchine volanti siano costituite da sistemi propulsivi di vario tipo: turbofan, turbojet o motori a ioni, i quali sono collegati con dei cavi a una navicella dalla quale il pilota comanda lo ‘sguscio’.

Fotogramma tratto da Star Wars – La minaccia fantasma del momento che precede la gara con i Podracer.
Confronto tra il Pratt & Withney TF-30 e la ricostruzione dello sguscio di Anakin Skywalker.

Il blu podracer di Anakin monta due motori 620C Radon-Ulzer ai quali il giovane Anakin ha aggiunto due post bruciatori, degli impianti che aumentano significativamente la spinta del mezzo, che consentono allo sguscio di raggiungere velocità nell’ordine dei 957 km/h. Per costruire questa macchina George Lucas si ispirò al motore Pratt & Withney TF-30, un turbofan costruito originariamente per aerei subsonici e dotato poi di un post bruciatore per essere adattato per il volo supersonico. Questo motore entrò in servizio nel 1964 e fu utilizzato su numerosi aerei militari tra i quali il famoso l’F14 Tomcat.

Il Droide IG-88

Nella figura a sinistra è riportata una sezione del motore Rolls-Royce Derwent, a destra il droide cacciatore di taglie IG-88.

IG-88 era un droide costruito dall’azienda di fantasia, Holowan Laboratories, assoldato da Darth Vader per dare la caccia all’equipaggio della celebre navicella guidata da Han Solo, il Millennium Falcon. Nella saga di Guerre Stellari questo infallibile cacciatore di taglie compare numerose volte e fu assemblato con una serie di componenti aeronautici. La prima cosa che spicca all’attenzione è la testa, per la quale fu utilizzata una camera di combustione proveniente da un vecchio Rolls-Royce Derwent, un datato motore aeronautico a compressione centrifuga che ricalcava l’idea del primo motore a reazione progettato da Frank Whittle. Il combustore, parte fondamentale di qualsiasi sistema turbogas, ha il compito di confinare il processo di combustione in una zona specifica in modo da ottimizzare l’efficienza e diminuire le perdite. La camera di combustione del Derwent ha una configurazione tubolare ovvero, l’intero volume di combustione è suddiviso in elementi discreti di forma cilindrica disposti tangenzialmente intorno all’asse della macchina. Ogni elemento cilindrico viene chiamato “can” ed è proprio uno di questi che fu utilizzato per la realizzazione della testa del droide IG-88. Al giorno d’oggi, la configurazione tubolare in ambito aeronautico è stata quasi totalmente abbandonata in virtù del fatto che è una soluzione molto ingombrante e che aumenta le perdite aerodinamiche dovute all’area bagnata (la superficie di contatto tra fluido e componente), mentre trova molto spazio in applicazioni terrestri, ad esempio nell’ambito delle turbine a gas per la produzione di energia elettrica.

La cabina di comando del Millennium Falcon

L’ultimo particolare che riporteremo proviene da una delle navicelle spaziali più iconiche dell’universo fantascientifico: il Millennium Falcon. Il celebre mercantile comandato da Han Solo e Chewbacca appare in tutti i film della saga e data la sua importanza scenografica, ogni dettaglio non poteva essere trascurato dagli addetti ai lavori. La cura al minimo particolare presente nel Millennium Falcon è assai maniacale e in essa si riversano tutte le fascinazioni verso il campo dell’aviazione da cui George Lucas fu ispirato.

In questa immagine si può osservare il confronto tra l’interno del Falcon e del B-29.

Se è vero che le fredde e spigolose navi imperiali sono state ispirate dalla cultura ingegneristica della Lutwaffe e che i rumori dei vascelli spaziali furono il prodotto della distorsione sonora di rumori usciti fuori dagli ugelli di aerei militari, è inequivocabile che la cabina di comando del Falcon sia stata ispirata dal popolare B-29 Superfortress. Questo aereo, la cui progettazione richiese uno sforzo notevole da parte della Boeing, era un bombardiere strategico quadrimotore ad elica utilizzato in numerose operazioni militari tra le quali, il bombardamento atomico delle città di Hiroshima e Nagasaki. Tutte queste testimonianze, e ce ne sono altre, dimostrano l’affascinante connubio tra il reale e il fantascientifico dimostrando come tra i due mondi non ci sia poi la discrepanza che pensiamo esserci. Fu George Lucas stesso a descrivere come la meraviglia ingegneristica che si cela dietro a un aereo, a un motore, a un compressore sia paragonabile al frutto del lavoro di un disegnatore poiché, in definitiva, sono entrambe manifestazione della fantasia della mente umana.