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.

I segreti dell’elicottero

Dietro una livrea semplice e accattivante e un rotore composto da poche pale, si nasconde un meccanismo di funzionamento ingegneristicamente complicato e di difficile manovrabilità per il pilota.

Gli elicotteri sono le macchine volanti per eccellenza dal momento che possono decollare e atterrare senza bisogno di accelerare o frenare lungo una pista. Inoltre, hanno un margine di manovrabilità molto più ampio rispetto agli aerei dato che possono mantenersi stazionari in volo (hovering) e, una volta in aria, possono orientarsi in tutte le direzioni. Tuttavia, questa maggiore libertà di movimento è associata ad una notevole complessità del rotore di volo che richiede al pilota abilità notevoli ed estrema attenzione in tutte le manovre che esegue (con i comandi a disposizione) toglierei.

Foto di un elicottero Bell UH-1Y Venom dell’aeronautica statunitense.

Come tutte le macchine volanti, anche gli elicotteri usano l’aerodinamica dei profili alari per generare portanza (lift): quando le pale del rotore ruotano rispetto all’aria che le circonda, la forma appositamente sagomata del profilo produce una forza che sostiene l’elicottero in volo e lo fa avanzare in una certa direzione. La rotazione è imposta alle pale tramite un motore di tipo turbo-shaft costituito da un compressore che aspira aria al suo interno e la comprime prima che un processo di combustione energizzi il fluido che, infine, passa attraverso una serie di stadi di turbina. Solitamente, quest’ultima è divisa in due parti, ovvero una turbina di alta pressione (HPT) che guida in compressore e una turbina di bassa pressione (LPT) direttamente collegata ad un albero che alimenta il moto di rotazione del rotore dell’elicottero attraverso un riduttore a ruote coniche che trasferisce la potenza dall’albero solidale alla turbina al master, l’albero sul quale è montato il rotore.

Forze agenti su un profilo alare immerso in un fluido in moto.

L’aspetto più stimolante del volo di un elicottero è capire come controllarne gli spostamenti, ovvero come muoverlo in avanti e indietro, come spostarlo lateralmente e come farlo ruotare attorno ad un asse verticale. Per i primi due tipi di moto, la risposta è piuttosto semplice dal momento che basta inclinare il piano di rotazione delle pale nella direzione voluta. In questo modo, la forza generata dal rotore avrà una certa inclinazione rispetto all’asse verticale così che la componente orizzontale genererà una spinta tale da spostare l’elicottero nella direzione desiderata, mentre quella verticale bilancerà la forza peso del velivolo. Pertanto, la questione più intrigante riguarda come far ruotare un elicottero attorno al proprio asse, così che possa spostarsi lateralmente o inclinarsi in avanti/indietro. Per capirlo, è necessario fare chiarezza sul funzionamento di un profilo alare, infatti la portanza che esso riesce a produrre varia in funzione dell’angolo d’attacco del profilo stesso (l’angolo tra la corda del profilo e la direzione dell’aria relativa alla pala n.d.r.); in particolare, maggiore è l’angolo d’attacco, maggiore la portanza generata dal profilo (ovviamente, questa relazione ha un limite superiore per cui, al di sopra di un certo valore dell’angolo di attacco, le prestazioni del profilo diminuiscono drasticamente). Qualora le pale dell’elicottero abbiano differenti angoli d’attacco l’una rispetto all’altra, la forza di lift è diversa su ciascuna di esse e questa differenza tra le varie forze genera una coppia che tende a far ruotare l’elicottero attorno al proprio asse. È ovvio che ciascuna pala dovrà cambiare il proprio angolo d’attacco in modo continuo così da avere sempre lo stesso valore di angolo d’attacco ad una data posizione circonferenziale sul piano di rotazione delle pale. Questo complesso movimento delle pale è gestito tramite un meccanismo noto come “piatto oscillante”.

Funzionamento del “collective pitch“. Fonte: http://www.gizio.it/
Funzionamento del “cyclic pitch“. Fonte: http://www.gizio.it/

Il piatto è composto da due dischi montati sul master. Il primo, noto come disco fisso, è collegato rigidamente alla fusoliera dell’elicottero, pertanto non ruota solidalmente al master, ma può muoversi verso l’alto e verso il basso, oppure inclinarsi in avanti, indietro, a destra e a sinistra attraverso un sistema di pistoni idraulici. Il secondo, noto come disco mobile, è montato sopra il disco fisso attraverso un cuscinetto assiale e si muove solidalmente al master a cui è collegato da un braccio meccanico: in questo modo, esso può compiere tutti i movimenti del disco fisso e, in più, è in grado di ruotare liberamente con il master e con le pale. Infine, ciascuna pala è collegata al disco mobile mediante delle billette. Questo meccanismo consente di variare contemporaneamente l’angolo d’attacco di tutte le pale semplicemente muovendo il disco fisso secondo uno dei modi precedentemente indicati. In particolare, inclinando il disco fisso, ciascuna pala vede cambiare il proprio angolo d’attacco di una quantità dipendente dall’entità dell’inclinazione. In questo modo, variando periodicamente il proprio angolo d’attacco, una pala genera più lift di quella diametralmente opposta. Questo squilibrio di forze crea un momento che inclina l’elicottero in una direzione che risulta 90° in anticipo rispetto a quella che intuitivamente ci si aspetterebbe per effetto del fenomeno di precessione giroscopica. In definitiva, per inclinare l’elicottero in avanti, sarà necessario applicare una coppia lateralmente tramite un’inclinazione a sinistra (se si osserva l’elicottero del piano di coda) del piatto oscillante. Qualora invece il piatto sia inclinato all’indietro, la coppia risultante fa ruotare l’elicottero verso sinistra. Inoltre, facendo traslare verso l’alto o verso il basso il disco fisso, l’angolo d’attacco di tutte le pale varia della stessa quantità. La forza di lift sarà dunque la stessa su ciascuna pala e l’elicottero si alzerà o si abbasserà di quota.

Infine, la maggior parte degli elicotteri hanno un rotore di coda. In sua assenza, la fusoliera ruoterebbe in senso opposto rispetto alle pale come conseguenza della coppia di forze che si genera nel contatto tra le ruote del riduttore. Il rotore di coda ha lo scopo di prevenire questa rotazione generando una forza avente un momento tale da bilanciare la coppia all’interfaccia delle ruote. Si capisce come, aggiustando in maniera appropriata l’angolo d’attacco delle pale del rotore di coda, il pilota possa gestire il moto di imbardata dell’elicottero.

Rotore di coda di un elicottero Dauphin II 1/48 KittyHawk

Da questa breve descrizione del funzionamento del rotore di un elicottero è evidente come le operazioni di manovra del velivolo siano un compito piuttosto arduo per il pilota che si trova contemporaneamente a dover gestire molteplici comandi, quali il “collective pitch” con cui fa traslare verticalmente il piatto oscillante, il “cyclic pitch” con cui ne regola l’inclinazione, la leva per gestire la potenza fornita dal motore e i pedali con cui controlla la forza prodotta dal rotore di coda. Questo complesso quadro è ulteriormente complicato dal fatto che una piccola variazione nell’assetto dei comandi può indurre una marcata variazione del comportamento dell’elicottero, il quale, peraltro, non risponde istantaneamente alle modifiche di assetto, nonché dalla necessità di operare contemporaneamente su più comandi per ottenere la condizione di moto desiderata.

Panoramica della cabina di comando di un elicottero. Fonte: http://www.gizio.it/

Valentina Tereškova, la prima donna nello spazio

Negli anni ’60 la società fu sconvolta dalla caparbietà e dalla inestimabile forza di volontà di Valentina Tereškova, una ragazza che fu una fonte di ispirazione per molte donne che, come lei, decisero di mostrare il loro valore al mondo.

Valentina Tereskova pochi istanti prima del decollo del Vostok 6

Valentina Tereskova nacque il 6 marzo del 1937 in un piccolo paese sulle rive del fiume Volga, Masslenikovo. Elena e Vladimir, i suoi genitori di estrazione proletaria e modesta, lavoravano rispettivamente come operaia in un’industria tessile e come guidatore di trattori. Purtroppo l’infanzia di Valentina e dei suoi fratelli fu segnata dall’avvento della seconda guerra mondiale nella quale morì il padre, arruolato come carrista nell’esercito russo. Negli anni seguenti, nonostante le difficoltà economiche e l’incertezza che contraddistinse il dopoguerra, la futura cosmonauta, spinta dalla passione per il volo divenne un’ammirevole paracadutista. Per capire cosa portò la Tereskova ad essere la prima donna a effettuare un volo in orbita attorno alla terra è necessario contestualizzare il periodo storico in cui essa visse.

Negli anni ’60 lo spazio rappresentava il campo di battaglia sul quale gli Stati Uniti e l’Unione Sovietica si misuravano per dimostrare la propria superiorità e supremazia. A questo scopo, entrambi i paesi finanziarono numerose attività di ricerca spaziale che videro i primi effetti quando, nel 1961, grazie allo sforzo sovietico, Yuri Gagarin fu il primo uomo a compiere un’orbita attorno al globo. Negli anni successivi, si susseguirono numerose prove di forza che miravano a eseguire orbite più durature e lunghe. Tuttavia, questo non bastava al primo ministro Khrushchev che, preoccupato dai successi delle missioni americane, desiderava stupire l’intero globo attraverso missioni sempre più spettacolari e sorprendenti. Fu così che, nel 1961, da un’idea dello stesso primo ministro, fu istituito un bando per il reclutamento di una donna da inviare nello spazio. La selezione iniziò nell’estate dello stesso anno sotto la direzione del veterano Gagarin il quale recuperò migliaia di lettere che erano state inviate da giovani aspiranti cosmonaute dopo il primo volo Vostok e che erano state accantonate. Alla fine, dopo approfondite indagini e interviste, furono selezionati quattro profili, tra i quali anche quello di Valentina Tereškova. Le quattro candidate furono sottoposte a un anno di duro addestramento che comprese lo studio delle nozioni fisiche e matematiche di base, la preparazione fisica e psicologica e l’apprendimento del funzionamento della navicella spaziale. Dopo questo periodo molto intenso la candidata migliore si dimostrò la Tereskova che fu quindi scelta per la missione Vostok 6.

Valentina Tereskova e Yuri Gagarin durante una intervista pubblica.

Fu così che il 16 giugno 1963 alle 12.29, dalla cosmodromo di Bajkonur fu lanciato il Vostok 6 con a bordo la cosmonauta Valentina Tereškova, dopo pochi minuti il razzo raggiunse l’orbita e finalmente la prima donna era nello spazio. In quel momento le donne di tutto il mondo, qualunque fossero le loro tendenze politiche o ideologiche, reagirono con orgoglio ed esuberanza alla notizia che una ragazza poco più che ventenne era riuscita a dare speranza a chi, come lei, aveva voglia di dimostrare il proprio valore. Dopo quasi tre giorni di volo in orbita la navicella iniziò le procedure per l’atterraggio e dopo essere entrata in atmosfera il paracadute principale si spiegò permettendo alla Tereškova di aprire il portello laterale e lanciarsi dalla capsula. Nei pochi istanti di quella silenziosa discesa che la condusse al suolo si sarà indubbiamente sentita molto orgogliosa, soprattutto per aver ispirato moltissime ragazze che, prendendo spunto da lei, trovarono la forza di combattere gli stereotipi della società dell’epoca.

La navicella Vostok 6 dopo l’atterraggio.

Concorde: dal sogno al disastro

Nato dall’idea di creare un velivolo per il trasporto civile che oltrepassasse la barriera del suono, il Concorde ha solcato i cieli di tutto il mondo per oltre 25 anni finché una fatalità non ne ha segnato il declino.

L’idea del volo supersonico iniziò a diffondersi verso la metà degli anni ’50, quando la conoscenza dei fenomeni aerodinamici e il livello tecnologico delle principali agenzie aerospaziali erano tali da consentire la progettazione di un velivolo supersonico per il trasporto di passeggeri. Nel decennio successivo le maggiori potenze mondiali in campo aeronautico, tra cui Regno Unito, Francia, USA e URSS, intrapresero una serie di campagne di ricerca e sviluppo volti, se non a dare alla luce il primo aereo supersonico di linea, quantomeno a dimostrare la reale fattibilità del progetto. A guidare gli istituti di ricerca in questo intrigante percorso, il principale motivo di interesse, oltre che nel prestigio e in una dimostrazione di superiorità tecnologica, stava nell’assumere che se un aereo supersonico fosse stato in grado di volare al triplo della velocità di un comune aereo subsonico, allora sarebbe stato altresì possibile sostituire tre voli convenzionali con uno solo supersonico, abbattendo i costi di manutenzione e personale.

I primi a presentare una proposta di un aereo in grado di sostenere una rotta transoceanica a Mach 2 furono gli ingegneri dell’Oltremanica che, sul finire degli anni ’50, concepirono il Bristol Type 198. Si trattava di un aereo che prevedeva un’ala a delta, una propulsione tramite otto motori turbojet e doveva trasportare 90 passeggeri. Poco dopo, quest’ultimo lasciò il passo al rivisto Bristol Type 223 in cui i motori scendevano a quattro e i sedili salivano a 110. Più o meno negli stessi anni, anche la Francia stava sviluppando un proprio velivolo con caratteristiche simili al Type 223 che, se avesse mai solcato i cieli, lo avrebbe fatto col nome di Sud Aviation Super-Caravelle. Visti i notevoli costi di finanziamento dei rispettivi progetti, a partire dal settembre 1961, i due governi cominciarono a valutare la possibilità di sancire un accordo per costruire unitamente un aereo supersonico; dai negoziati nacque così una collaborazione che, suggellata il 29 settembre 1962, avrebbe dato il via al progetto “Concorde”, concluso con successo il 21 gennaio 1976 quando l’Aérospatiale-BAC Concorde, noto comunemente come Concorde, coprì le prime rotte supersoniche civili.

Primo prototipo di Bristol Type 198.

Il neonato consorzio anglo-francese previde originariamente di seguire lo sviluppo di due distinte versioni dell’aeromobile, una a corto raggio e una a lungo raggio, ma la realizzazione del modello a corto raggio venne poco dopo archiviata a causa dello scarso interesse mostrato dalle maggiori compagnie aeree, probabili futuri clienti. Nel febbraio del 1965 ebbe inizio la costruzione dei primi prototipi e lo ‘001’ si alzò in volo per la prima volta nel marzo del 1969, per poi effettuare i test supersonici a partire dall’ottobre dello stesso anno. In seguito, lo sviluppo proseguì mentre oltreoceano il progetto supersonico era stato progressivamente dismesso a causa di un cattivo giudizio da parte dell’opinione pubblica che lo riteneva troppo rumoroso, mentre il corrispettivo russo del Concorde, il Tupolev Tu-144, subiva una battuta d’arresto a causa di un incidente avvenuto all’Air Show di Parigi. I test finali vennero condotti a partire dal 1974 e nuovi record vennero subito stabiliti nel campo dell’aviazione, anche se da record furono soprattutto le spese che, al termine del progetto, raggiunsero i 23 milioni di sterline, risultando sei volte superiori rispetto alle previsioni originali.

Una foto del Concorde durante la fase di decollo con la caratteristica posizione inclinata del muso.

D’altra parte, il Concorde era un vero capolavoro dell’ingegneria, un colosso che racchiudeva al suo interno il meglio della tecnologia aerospaziale disponibile all’epoca in cui venne costruito. Tra le innumerevoli soluzioni all’avanguardia, era previsto un sistema di redistribuzione del carburante per spostare il centro di pressione del velivolo una volta superato il Mach critico così da impedire il moto di beccheggio del muso. Veniva inoltre applicata una speciale vernice bianca sulla fusoliera per limitarne il surriscaldamento alla quota e alla velocità di crociera, ma soprattutto era equipaggiato con quattro motori turbojet Rolls-Royce/SNECMA Olympus 593, capaci di spingere un peso di 185 tonnellate fino a 2179km/h a oltre 17000 metri di altitudine, riducendo il tempo di volo da Londra a New-York di circa tre ore. Data la sua configurazione, il Concorde era sprovvisto di aerofreni, quindi per arrestarsi in pista poteva unicamente fare affidamento sui freni del carrello e sugli inversori di spinta dei propulsori; a questo scopo, il sistema frenante era in grado di fermare il velivolo a pieno carico e lanciato a 305 km/h su una lunghezza di circa 1600 metri. I piloti disponevano in cabina di comando di sensori collegati a un radiometro per la misurazione delle radiazioni ionizzanti provenienti dallo spazio esterno, dannose per la salute umana e molto più intense alla quota di crociera del velivolo, così che potessero abbassarsi di quota qualora le radiazioni avessero superato una certa soglia. Infine, il celebre muso ad assetto variabile nacque dall’esigenza di conciliare la sua forma aerodinamica atta a ridurre l’attrito e aumentare l’efficienza in volo, con la necessità dei piloti di avere una buona visuale frontale durante le fasi di rullaggio, decollo e atterraggio.

Foto iconica scattata dal pilota di un Tornado ECR che riuscì a stare al passo del Concorde per solo 2 minuti.

Sicuramente volare su un aereo capace di doppiare la velocità del suono sarebbe stata un’esperienza unica nel suo genere, per niente paragonabile con quella di un volo di linea subsonico. Prendere il Concorde era anzitutto un lusso: se per arrivare da Londra a New York si impiegavano tre ore e venti minuti a fronte delle sette ore a bordo di Boeing 747, il prezzo del biglietto era stellare, dal momento che si aggirava su media dodicimila dollari per una singola tratta. Tuttavia, volare alle velocità del Concorde aveva anche alcune particolarità che altrimenti un passeggero non avrebbe potuto sperimentare quali la temporanea variazione del proprio peso corporeo per effetto della sovrapposizione tra la forza centrifuga indotta dalla velocità dell’aereo e quella associata al moto di rotazione terrestre. A questa stessa ragione è ascrivibile il fatto che alcuni voli verso occidente anticipassero il sopraggiungere della zona crepuscolare: poteva accadere di arrivare a una destinazione dove l’ora locale era antecedente a quella del luogo di partenza, tanto che questa particolarità venne sfruttata a fini commerciali dalla British Airways, che creò lo slogan “Arrivare prima di partire”.

Purtroppo, tutte queste caratteristiche che rendevano il Concorde un aereo da sogno non riuscirono ad evitarne il declino. Il 25 luglio del 2000, il volo AF4590 (Parigi-New York) effettuato da un Concorde precipitò poco dopo il decollo dall’aeroporto parigino Charles de Gaulle causando la morte di 113 persone tra passeggeri, equipaggio e civili a terra. Le indagini condotte nei mesi seguenti al disastro esclusero problematiche associate al funzionamento dei motori o all’aerodinamica delle ali ed individuarono la causa nell’impatto con un detrito lasciato sulla pista da un aereo precedentemente decollato. L’urto con il carrello causò lo scoppio di una gomma i cui brandelli in parte recisero alcuni cavi di azionamento elettronico del carrello stesso e in parte colpirono l’ala sinistra causando la fuoriuscita di carburante, generando un incendio quando l’aereo era ancora sulla pista, ma ad una velocità troppo elevata per poter consentirne l’arresto in sicurezza. I testimoni dalla torre di controllo raccontarono di aver visto l’aereo decollare con una lunga scia di fiamme che avvolgeva la parte sinistra del Concorde. L’equipaggio riuscì a decollare con l’intenzione di atterrare immediatamente nel vicino aeroporto di Le Bourget, tuttavia il solo propulsore destro non era in grado di sostenere l’intero velivolo e le fiamme avevano completamente bruciato l’ala sinistra rovinandone l’aerodinamica. L’impatto con un hotel a soli 9,5km dall’aeroporto fu inevitabile. A seguito della tragedia, tutti i voli del Concorde furono sospesi in attesa che le indagini facessero chiarezza sull’accaduto; per quasi un anno, tutta la flotta supersonica di Air France e British Airways rimase a terra e prima di tornare a solcare i cieli tutti gli aerei subirono delle modifiche volte alla messa in sicurezza di quelle parti che erano state le cause dell’incidente di Parigi: il carrello di atterraggio e il serbatoio del carburante. Il primo volo di test dopo gli adattamenti partì dall’aeroporto di Heathrow il 17 luglio 2001, ma era soltanto un’illusione perché, se da un lato i costi della manutenzione erano aumentati notevolmente con un conseguente rincaro dei biglietti, dall’altro le persone persero progressivamente fiducia sull’affidabilità e sulla sicurezza del Concorde. Per queste ragioni, il 10 aprile 2003 Air France e British Airways annunciarono in contemporanea che avrebbero ritirato i Concorde entro la fine dell’anno. Così, il 24 ottobre 2003 finì il sogno del Concorde che, per l’ultima volta percorse la rotta New York-Londra. Ad oggi, dei venti esemplari prodotti la maggior parte riempie le sale dei musei o i piazzali di qualche aeroporto, regalandoci, se non il ricordo, quantomeno l’effigie di quello che il Concorde rimarrà nella storia dell’aviazione: il conseguimento di un sogno vissuto per un tempo troppo breve.

Una foto del 25 Luglio 2000 dell’ incidente al Concorde all’ aeroporto parigino di Roissy. Andras Kisgely / ARCHIVIO ANSA

Gli esperimenti aerodinamici dei fratelli Wright

In evidenza

Wilbur e Orville Wright sono senza dubbio i fratelli più celebri della storia dell’aviazione, tuttavia spesso si trascura il percorso ingegneristico che li ha portati ad essere i primi esseri umani a volare.

Wilbur e Orville Wright in posa sulla loro macchina volante, il Flyer.

Dopo aver concluso la carriera scolastica, Wilbur e Orville decisero di dedicarsi alla costruzione di biciclette, che nell’America di fine ‘800 godevano di una straordinaria popolarità. Tuttavia, il loro spirito creativo e la loro voglia di esplorare gli orizzonti del volo, li portarono presto a fantasticare sull’idea di riuscire a costruire una macchina volante. Così, nonostante la scarsa preparazione scientifica, i due fratelli decisero di utilizzare i proventi della vendita di biciclette per la progettazione e la fabbricazione di una macchina volante prendendo ispirazione da Otto Lilienthal, un pioniere dell’aviazione tedesca, che dedicò l’intera vita alla progettazione di alianti con i quali si esibiva in mirabolanti lanci. Prima di tutto, Orville e Wilburn dovettero apprendere e conoscere le basi del volo, un campo che a fine ‘800 era tutt’altro che noto (sarà poi Ludwig Von Prandtl uno dei primi a teorizzare i concetti matematici dell’aerodinamica subsonica). Pertanto, leggendo gli studi che erano stati fatti da pionieri del calibro di Langlay, Chanute e Penaud si accorsero che l’approccio con cui veniva affrontata la progettazione dei velivoli era sostanzialmente inappropriata. Infatti, Orville e Wilbur non ritenevano che un aeromobile potesse essere stabile e manovrabile al pari di un’automobile, ma credevano che fosse più simile alle biciclette, ovvero una macchina da bilanciare e da tenere in equilibrio costantemente.

Le ali pieghevoli consentivano di aumentare o diminuire la portanza sugli estremi delle ali, questo permetteva di controllare la virata.

Per prima cosa, seguendo l’esempio di Lilienthal, si concentrarono sull’aspetto aerodinamico e sulla meccanica che regolava i principi di controllo quali imbardata, beccheggio e rollio.
Il primo approccio fu quello di osservare il volo delle poiane, in particolar modo quale comportamento avessero le ali nello stabilizzare la planata e la virata. Da questi studi la mente di Wilburn concepì delle ali che in grado di piegarsi “wing warping” in modo da controllare la virata e la direzione che l’aeroplano avrebbe avuto in volo. Per testare questo nuovo assetto si spostarono nelle pianure della North Carolina, a Kitty Hawk , dove le condizioni climatiche di vento costante erano il perfetto scenario per le prove e i collaudi del primo aliante, il “Flyer I“.

I fratelli Wright aiutati da un loro amico testano la portanza del Flyer I.

Durante i loro esperimenti i fratelli Wright si resero conto che nonostante il meccanismo di virata funzionasse perfettamente, l’aliante non riusciva però a generare portanza a sufficienza per autosostenere il volo. In quegli anni, infatti, era falsa la credenza secondo cui il profilo alare dovesse essere sottile a causa della mancanza di teorie in grado di descrivere i fenomeni di separazione dello strato limite che avrebbero suggerito il contrario. Questo insuccesso non fermò la voglia e la determinazione di Orville e Wilbur che iniziarono a interessarsi all’aerodinamica dei profili alari. Una volta tornati nella fabbrica di biciclette in Ohio, si armarono di inventiva e con quello che avevano a disposizione, costruirono una serie di banchi prova rudimentali con lo scopo di trovare una geometria dell’ala e un angolo di incidenza che garantissero la massima portanza. Ciò che ne venne fuori rappresenta probabilmente la prima “galleria del vento” a vedere la luce nella storia dell’aerodinamica moderna.

La bicicletta utilizzata dai Wright per testare i profili alari.

Questa consisteva in una bicicletta nella cui parte anteriore era montato un cerchione aggiuntivo su cui venivano inseriti da una parte un profilo alare per cui era possibile variare l’angolo di attacco, dall’altra una lastra piana utilizzata come riferimento. In sostanza, misurando l’angolo alfa raggiunto all’equilibrio aerodinamico tra le forze in gioco, si giungeva al calcolo del rapporto tra il coefficiente di portanza (Lift) e il coefficiente di resistenza (Drag) tramite il quale si poteva stabilire quale fosse il profilo migliore.

Schema dei test eseguiti sui vari profili alari.

Così dopo due mesi di test riuscirono a catalogare un gran numero di geometrie alari, riuscendo così ad acquisire una considerevole sensibilità aerodinamica sulla forma e sull’incidenza che la pala avrebbe dovuto avere per ottimizzare la portanza. Una volta costruito il terzo prototipo di aliante, non restava che inserire un sistema propulsivo. Per questo scopo, fu scelto un motore a scoppio che garantiva la leggerezza e la potenza sufficiente per alimentare un’elica necessaria al volo.

Alcuni dei profili alari testati dai fratelli Wright.

Tuttavia, anche in questo caso le conoscenze sull’argomento erano molto limitate e solo con la progettazione di una seconda galleria del vento più accurata e con la presa di coscienza che l’elica non é nient’altro che un insieme di profili alari, i fratelli Wright riuscirono a superare le difficoltà dando vita alla prima macchina in grado di volare. Fu così che grazie alla perseveranza e la tenacia di Wilbur e Orville , il 17 dicembre 1903, il Flyer si innalzò in volo per 12 secondi percorrendo una distanza di 36 metri consacrando l’inizio della meravigliosa storia dell’aviazione.

La seconda galleria del vento costruita dai fratelli Wright che si rese cruciale per la progettazione di un’elica efficiente e funzionale ( l’efficienza raggiunta fu del 66%).