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.