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sabato 19 giugno 2010

Tecnica: l'avvitamento dello Shuttle.

Me lo state chiedendo in molti: perché lo Space Shuttle poco dopo il decollo esegue una giravolta?
Per prima cosa il nome preciso di quella manovra è 'Roll Program' ed è sostanzialmente un rollio controllato. Tutti gli aeromobili hanno 3 principali controlli, pitch (beccheggio), yaw (imbardata) e roll (rollio). Sostanzialmente sono i movimenti di muso su e giù (beccheggio), muso a sinistra e destra (imbardata) e avvitamento longitudinale (rollio).

Riporto il manuale originale NASA "Ascent Guidance and Flight Control Training Manual":

"During the vertical rise phase, the launch pad attitude is commanded until an I-loaded V(rel) sufficient to assure launch tower clearance is achieved. Then, the tilt maneuver (roll program) orients the vehicle to a heads down attitude required to generate a negative q-alpha, which in turn alleviates structural loading. Other advantages with this attitude are performance gain, decreased abort maneuver complexity, improved S-band look angles, and crew view of the horizon. The tilt maneuver is also required to start gaining downrange velocity to achieve the main engine cutoff (MECO) target in second stage."

È un passaggio che spiega tutto, ma è molto denso di informazioni.
Vedo di semplificare e spiegare.

Durante la fase di salita verticale, l'assetto che lo Shuttle ha sulla torre di lancio viene mantenuto fino alla certezza che la velocità verticale sia sufficiente da assicurare che la torre di lancio è completamente libera. Ovviamente finché il veicolo ha le strutture fisse a fianco di lui non può eseguire alcuna manovra, quindi si attende il segnale di 'rampa libera'.

Orientare il veicolo in un assetto a testa in giù genera un q-alpha negativo che diminuisce il carico strutturale. Se facciamo caso alla spinta dei motori della navetta, vediamo chiaramente che non è in asse con la struttura. Il fatto che lo Space Shuttle sia un veicolo asimmetrico fa in modo che anche il suo comportamento lo sia. Capovolgendo il veicolo abbiamo i motori dell'orbiter che spingono verso l'alto e quindi verso il serbatoio, migliorando così il rendimento di questa spinta nell'ottica di raggiungere l'orbita. Superata la prima parte del volo verticale, il complesso Shuttle-serbatoio è sempre più orizzontale, e questo è ottimale per guadagnare velocità nell'ottica dell'ingresso in orbita (raggiungere i 28'500 km/h), ma la componente verticale permane e diviene più sensibile dopo il distacco dei booster ed il progressivo svuotamento del serbatoio. In questo modo si continua ad avere una componente verticale della spinta che continua a far aumentare la quota, anche quando l'orbiter è praticamente orizzontale. Inoltre, durante il tragitto atmosferico, in quella posizione le ali dell'orbiter tendono a dare 'deportanza' (q-alfa negativo), cioè spingono verso la 'pancia' della navetta sostenendola e alleggerendo così il carico sui piloni di aggancio con il serbatoio. Questa spinta non è mai fortissima dato che le ali sono la parte più fragile dell'orbiter e non devono essere sovrasollecitate, ma aiuta comunque allo scopo.

Di conseguenza, grazie ai motori dell'orbiter che spingono verso l'alto, si ottiene un maggior carico trasportabile verso l'orbita, o una maggiore quota raggiungibile o infine una maggiore manovrabilità per eventuali cambiamenti di piano orbitale, quindi un guadagno nelle prestazioni.

L'assetto capovolto permette anche all'equipaggio di eseguire delle manovre meno complicate nel caso si debba effettuare il più pericoloso degli 'abort mode', il famigerato RTLS (Return To Launch Site) quello che dovrebbe permettere all'orbiter di ritornare subito ed atterrare al KSC. Per fortuna non è mai stato effettuato.

Il nuovo assetto permette anche ai vari sistemi di comunicazione di funzionare al meglio, soprattutto con le antenne in banda S che ottengono un guadagno maggiore.

Inoltre dopo il roll program dalla cabina di pilotaggio si riesce a vedere l'orizzonte che è un punto di riferimento ed è sempre utile quando si conduce un qualsiasi aeromobile.

Comunque lo Shuttle è sempre stato lanciato verso est e quindi sfrutta la velocità di rotazione della Terra per avere già una velocità iniziale non nulla e il roll program permette anche di avere una manovra iniziale presente in tutti i lanci. Per modulare l'inclinazione dell'orbita su cui andrà inserito l'orbiter è sufficiente regolare di conseguenza la durata del roll: a roll più lungo corrisponde una inclinazione orbitale maggiore e a roll più breve una inclinazione minore.

Altro motivo per l'esecuzione di questa curiosa (e spettacolare) manovra è la stabilizzazione della traiettoria. Come ad un proiettile viene impressa una rotazione assiale per mezzo delle canne rigate a vite, anche i veicoli spaziali trovano giovamento in questo avvitamento che con un leggero effetto giroscopico aiuta il mantenimento dell'assetto ideale, soprattutto nei primi secondi dopo il lancio quando la velocità è ancora bassa. Del resto anche i giganteschi Saturn V eseguivano un roll program subito dopo il lancio.

Questi ultimi due motivi giocano a favore dell'ultimo dubbio che nasce.
Ma se avessero costruito le rampe già nella posizione giusta per il decollo, orientate verso est, avrebbero potuto fare a meno della torsione dopo il lancio.
In base a quanto descritto sappiamo già che avrebbero avuto meno stabilizzazione al lancio e comunque avrebbero dovuto variare l'assetto in base all'inclinazione orbitale a cui far giungere l'orbiter. Ma un altro motivo è dato dal fatto che le rampe 39A e 39B sono state riconvertite dalle missioni Apollo e la posizione delle strutture di servizio, ma soprattutto dei 'flame trench', le trincee di deflessione degli scarichi dei motori erano già impostate e quindi è stata mantenuta la struttura e l'impostazione originaria.

Il roll program è quindi una manovra che coinvolge tutti e tre gli assi. Il rollio esegue le cose elencate, mentre il beccheggio interviene variando il carico aerodinamico sulle ali e l'imbardata corregge l'inclinazione orbitale. La manovra complessiva viene quindi espressa nella forma di un 'quaternione', infatti è comune per i veicoli spaziali un sistema di controllo dell'assetto mediante quaternioni, che sono anche usati per misurare mediante telemetria l'assetto istantaneo. La ragione è che la combinazione di molte trasformazioni descritte da quaternioni è più stabile numericamente della combinazione di molte trasformazioni matriciali.
Ma qui entriamo in un campo molto complesso e questa non è la sede adatta per discuterne…

Il roll program occupa solo pochi secondi (dal settimo al ventesimo circa) della galoppata di otto minuti e mezzo degli Space Shuttle verso l'orbita terrestre. Ora conoscete qualche notizia in più di quei secondi!

In foto Atlantis durante il lancio di STS-129.
Fonte: NasaTV.

12 commenti:

Anonimo ha detto...

Scusa Luigi ma sei stato troppo tecnico...non ci abbiamo capito una mazza! Una spiegazione alla Quark proprio non sei in grado di darcela?

Monzitrek ha detto...

Potessi farne un documentario sarei probabilmente più chiaro...
Comunque non posso pensare di essere come gli Angela! ;)

In poche parole?

- Inizia dopo aver lasciato completamente la rampa.
- Migliora le condizioni di volo alleggerendo la navetta.
- Semplifica l'esecuzione di un tipo di procedura d'emergenza.
- Migliora le comunicazioni.
- Permette la visione dell'orizzonte all'equipaggio.
- Stabilizza la traiettoria.

Sanduleak SN ha detto...

Grazie per la tua spiegazione! E' vero che è tecnica, ma è anche vero che per approfondire un discorso del genere la tecnicità è d'obbligo.

Per quanto riguarda l'Astronautica sei il nostro "Angela" di fiducia!
GO! GO! LUIGI!!!

Nicolò ha detto...

Bellissimo articolo, avevo sempre notato quella strana manovra ma non mi ero mai chiesto il perchè... imamginavo non fosse per semplice "divertimento" :-)

Anonimo ha detto...

ma ki è ke imprime questo moto rotatorio? Non c'è bisogno di più carburante?

Monzitrek ha detto...

Semplicemente orientando i motori.
Gli ugelli degli SSME e dei motori dei SRB sono orientabili e permettono di comandare tutte le manovre necessarie al cambiamento d'assetto.

Non si ha un particolare aumento del consumo...

HMLuke14 ha detto...

Interessa anche a me da chi è imprime la rotazione
probabilmente l'accoppiamento boosters e superfici aerodinamiche perchè i motori principali son troppo vicini all'asse per compiere la manovra così velocemente...
Sbaglio o questo post è il primo di una lunga serie sulla tecnica da te preannunciato in una mail nel quale ti chiedevo alcune curiosità sullo shuttle?
Complimenti davvero fantastico!

Monzitrek ha detto...

Il comando per l'esecuzione del Roll Program è dato esclusivamente dagli SSME, i tre motori della navetta. Il computer di bordo controlla il "gimbal" dei motori, vale a dire l'orientamento, per modificare la spinta in modo da fare ruotare tutto lo stack.
Le superfici aerodinamiche non intervengono se non minimamente, sempre e solo per diminuire il carico aerodinamico dalle ali, mentre gli SRB Motor si occupano della spinta principale intervenendo molto marginalmente.

Grazie dei complimenti e continuate a fare domande: correggerò poi l'articolo con tutte le aggiunte che mi chiederete.

E infine, Luke, la mia intenzione è proprio quella di trattare a puntate un po' di tecnica missilistica, semplificando (per quanto ci possa riuscire) quei concetti che non sempre sono così intuitivi...
Il fatto di avere un gruppo attento di lettori che mi stimolano e chiedono chiarimenti mirati, mi permette di capire quanto sono stato comprensibile e possibilmente mi permette anche di migliorare!

Alessandro ha detto...

Grazie di tutte le tue spiegazioni. Vorrei approfondire la parte finale, che tu giudichi troppo tecnica. Sai indicarmi qualche fonte, in italiano possibilmente?

Grazie Mille

alemarchi.mail@gmail.com

Anonimo ha detto...

In che senso il rollio migliora le comunicazioni e poi che se ne fanno gli astronauti di vedere tutto l'orizzonte?

Monzitrek ha detto...

@Anonimo
Migliora le comunicazioni fra Volo e Terra, dato che se l'orbiter è sotto lo 'stack' (ET+SRB) non ha il serbatoio fra lui e le stazioni di comunicazione al suolo.

La visuale dell'orizzonte è semplicemente un aiuto psicologico per pilota e comandante: vedendolo si ha la certezza di dove si sta andando, soprattutto perché superate le nubi si vedrebbe solo il cielo sempre più nero.

@Alessandro
Non so a che livello di approfondimento vuoi accedere. Il sito del Poli MI ha online tutte le dispense dei corsi di laurea in Ingegneria Aerospaziale
http://www.aero.polimi.it/IT/
in particolare qui
http://www.aero.polimi.it/IT/index.php?module=pagemaster&PAGE_user_op=view_page&PAGE_id=17&MMN_position=66:66

Volendo partire da un livello più semplice, se cerchi online "meccanica del volo" e "controllo d'assetto" trovi anche altre fonti, a cominciare dalla Wikipedia che ha diverse pagine spiegate in modo semplice.

Alessandro ha detto...

Grazie mille.

Era proprio quello che cercavo.

Colgo l'occasione per comunicarti tutta la mia "invidia" per il tuo viaggio in america.

Io sono riuscito nel lontano 92 a vedere lo Shuttle pronto sulla rampa.

Chissà mi ci vorrebbe un miracolo.

Grazie ancora.

Alessandro