Voli suborbitali e voli orbitali commerciali, il nostro prossimo futuro?

(Credit NASA)

NEWS SPAZIO :- Nel rispondere ad una domanda fattami da Filippo, un caro amico, mi sono fatto prendere un po' la mano dall'entusiasmo ed ho scritto un po' troppo. Ho quindi trasformato il tutto in questo post che vorrei condividere con tutti.

Filippo mi chiede se SpaceShipTwo di Virgin Galactic, che nei giorni scorsi ha fatto il suo primo volo di test, potrebbe restare nello spazio a gravità zero più dei 5 minuti previsti dal piano di volo originale, e quali sono i suoi limiti. Potrebbe rimanere nello spazio per ore o giorni? Virgin Galactic ha obiettivi più ambiziosi?

Dunque, SpaceShipTwo (SS2) per come è stato realizzato adesso è un veicolo suborbitale, cioè una volta lanciato non compie un'intera rotazione intorno al nostro Pianeta (orbita), ma ritorna "giù" dopo un po' di tempo. Un po' come quando lanciate in aria un sasso. Va su e poi torna giù.

Semplificando parecchio, ciò è dovuto alla velocità che gli viene impressa, non sufficiente a vincere la forza di attrazione gravitazionale della Terra.

Dopo essersi separata dall'aereo carrier, SS2 accende il proprio motore e punta verso l'alto, guadagnando velocità e quota.

E quando il propulsore si spegne (quando lasciamo andare il sasso dalla nostra mano), quello è il momento in cui il veicolo possiede la massima velocità verticale. Da quell'istante in poi inizierà a rallentare.

Sempre a partire da quel momento, all'interno di SS2 i passeggeri iniziano a percepire la mancanza di peso. In realtà sia SS2 che i suoi occupanti hanno iniziato un volo libero.

I passeggeri si stanno muovendo con la stessa velocità del veicolo. E ciò significa che relativamente all'interno del veicolo i passeggeri sono in quiete, sembrano cioè non essere soggetti ad alcuna forza che li spinga verso il basso, o che li tenga attaccati alla propria poltroncina. Sono liberi di muoversi a loro piacimento, galleggiando letteralmente all'interno dell'abitacolo.

Questo è ciò che significa trovarsi a zero G e la stessa identica cosa accade agli astronauti in orbita sulla Stazione Spaziale Internazionale.

SS2 ed i suoi passeggeri continuano sì a salire, ma solo per inerzia, perdendo gradualmente velocità. Stanno percorrendo un arco di parabola discendente (l'arco ascendente di una parabola discendente). La velocità continua a diminuire fino al punto in cui si annulla e da quel momento in poi il veicolo-ed-i-passeggeri iniziano la discesa, anzi la caduta libera.

All'interno si continua a percepire la mancanza di peso, per lo stesso motivo detto in precedenza, le velocità di SS2 e dei passeggeri continuano ad essere identiche.

Naturalmente però ad un certo punto i piloti del veicolo inizieranno a frenare la discesa per riprendere il controllo del mezzo. Veicolo e passeggeri stanno ancora precipitando, ma non più con la stessa velocità. Il veicolo diminuisce la propria velocità di caduta, mentre al suo interno i passeggeri tendono a continuare la caduta libera.

E questi inizieranno quindi a non percepire più zero G, ma sentiranno un' accelerazione negativa che li premerà contro i propri sedili.

Stanno cedendo energia al veicolo, il quale l'assorbe e la dissipa con i suoi sistemi di frenata.

SS2 riprende il controllo del volo ed effettua le dovute manovre per raggiungere la pista ed atterrare in sicurezza.

Nel suo profilo standard di missione SS2 dovrebbe trovarsi nelle condizioni di zero G per circa 5 minuti prima di prendere il controllo della discesa. Durante il suo volo la navetta supera la quota di 100 km (dal livello del mare), un limite denominato linea di Kármán che segna per convenzione la fine dell'atmosfera Terrestre e l'inizio dello spazio. Chi supera questo limite può dire di essere un astronauta. Il 1° astronauta Americano a volare nello spazio fu Alan Shepard, il 5 Maggio 1961 a bordo della navicella Freedom 7 del programma Mercury.

Il suo volo fu un volo suborbitale e l'altezza massima raggiunta fu di circa 186 km.

Torniamo a SS2. Possiamo dire che maggiore è la velocità impressa al momento dello spegnimento del propulsore e più ampio è l'arco di parabola che compirà l'intero veicolo, maggiore sarà la quota massima raggiunta e conseguentemente maggiore sarà anche il tempo in cui i suoi passeggeri sperimenteranno la condizione a zero G. Più forte lanciate il sasso e più tempo impiegherà a cadere al suolo.

Se la velocità impressa fosse sufficientemente grande la parabola discendente compiuta da SS2 non intersecherebbe più la superficie Terrestre, ma andrebbe oltre, continuando a girare intorno alla Terra. Non si tratterebbe più una parabola ma di un'ellisse. In altre parole avremmo fatto compiere a SS2 un'orbita completa intorno al nostro Pianeta.

In questa (enorme) semplificazione non ho volutamente tenuto conto dell'attrito generato dall'aria che in effetti è tale da frenare considerevolmente ogni veicolo spaziale che vi si trovi a volare, il quale per continuare a restare in orbita dovrebbe mantenere il propulsore acceso per contrastarne l'effetto frenante e continuare ad avere sufficiente velocità per percorrere un'ellisse invece che una parabola discendente.

Quest'ultimo scenario non è ad oggi percorribile poiché occorrerebbe avere sempre il propulsore acceso con costante consumo di propellente, che come sapete è risorsa limitata e quindi preziosissima (nonché pesante anch'essa).

Per non avere i problemi legati all'attrito dell'aria i veicoli spaziali vengono quindi immessi in orbite a quote maggiori, dove l'effetto dell'atmosfera Terrestre è considerato trascurabile. In realtà anche all'altitudine in cui si orbita la ISS - normalmente 400-450 km - le "poche" molecole di atmosfera presenti contribuiscono a farne decadere l'orbita, sebbene di poco, circa 100 metri al giorno. Periodicamente quindi, una o due volte l'anno, la ISS accende i propulsori per la manovra nota come innalzamento dell'orbita, riguadagnando quota.

Tornando alla domanda di Filippo, SS2 per come è adesso potrebbe in teoria avere un propulsore più potente ed arrivare più in alto. L'ipotesi più semplice è tenere acceso il motore per un tempo maggiore, in modo da imprimere una maggiore velocità al veicolo. Ma un tempo di accensione maggiore significa consumare una maggiore quantità di propellente, quantità che occorre portare con sé. Si renderebbe quindi necessario dotare il veicolo di un serbatoio più grande... insomma SS2 è già diventata qualcos'altro.

E per immettersi in orbita a circa 400 km di altitudine, la velocità impressa al veicolo deve essere davvero tanta, nell'ordine di 27.000 km/h.

La modalità che meglio conosciamo per ottenere ciò, e che funziona sin dall'inizio dell'astronautica, è avere due veicoli spaziali, il 1° dedicato esclusivamente a spingere il 2° veicolo. Quello che spinge è il razzo vettore (o lanciatore) e l'altro è il payload (la capsula orbitale con i passeggeri o un qualunque satellite, ad esempio).

Il razzo vettore è tipicamente diviso in due o più stadi, è quello che ha motori molto potenti, tutto il propellente che serve per raggiungere l'orbita, ed è quello che dopo aver impresso la giusta velocità al 2° veicolo, si separa da esso e termina la propria missione.

Supponiamo quindi di avere un O-SS2 (un Orbital SpaceShipTwo, uno SS2 orbitale cioè) che ha raggiunto l'orbita Terrestre.

Se la missione è rimanere in orbita per alcuni giorni, allora il volume interno del veicolo dovrebbe essere grande abbastanza per contenere tutte quelle funzionalità tali da consentire all'equipaggio di vivere più o meno comodamente. Ad esempio, sono necessarie una dispensa per contenere il cibo, i servizi igienici, cuccette per dormire, ecc. ecc.

O-SS2, rispetto ad SS2, dovrà poi essere strutturalmente più robusta, per tutta una serie di motivi, tra cui essere maggiormente resistente all'ambiente spaziale (temperatura e radiazioni) ed essere in grado di rientrare dall'orbita. A questo scopo occorrerà dotarlo come minimo di uno scudo termico per proteggerlo dalle fortissime sollecitazioni termiche durante l'ingresso in atmosfera nella fase di ritorno a Terra. Ed i sistemi di guida e navigazione dovranno necessariamente essere più complessi.

Insomma, le differenze tra un veicolo suborbitale ed un veicolo orbitale sono tante e tali da rendere lo O-SS2 molto differente da come è adesso SS2, ed in generale un generico veicolo spaziale orbitale da un veicolo spaziale suborbitale.

Occorre rivedere l'intera architettura del veicolo ed, a catena, dell'intera missione ed in definitiva di tutto il servizio di trasporto spaziale, infrastruttura di volo ed infrastruttura di Terra, organizzazione, complessità, ecc. ecc.

Ed alla fine il tutto si traduce in costi di progettazione, realizzazione, esercizio di vari ordini di grandezza maggiori. Ma tutto ciò è una realtà oggi, inizialmente ad unico appannaggio delle sole agenzie spaziali governative ma che in questi ultimi anni, come potete leggere nel blog, ha visto e continuerà a vedere un sempre maggiore impegno da parte delle aziende private per il nuovo business spaziale che ha già portato SpaceX a raggiungere l'orbita Terrestre.

Il mio pensiero è che una volta che SS2 inizierà ad effettuare i voli suborbitali – il mio augurio è che ciò possa avvenire senza incidenti e quanto prima – e questo servizio si consoliderà e diventerà maturo, vedo molto probabile che Virgin Galactic userà SS2 come base per costruire qualcosa di più, magari proprio un servizio orbitale.

Ha già annunciato anni fa di voler realizzare sempre partendo dall'aereo carrier WhiteKnightTwo un servizio di lancio orbitale per satelliti (LauncherOne).

In futuro potrebbe quindi davvero nascere un O-SS2, che magari dopo il lancio ed il raggiungimento dell'orbita potrebbe arrivare in poche ore ad agganciarsi ad una stazione spaziale commerciale che possa fungere da resort orbitale.

Qualcosa di simile è ciò che sta facendo Jeff Bezos con la sua azienda Blue Origin. Sta attualmente realizzando e testando un'architettura suborbitale con i lanci del veicolo New Shepard alimentato dal motore BE-3 e nel frattempo con l'esperienza che sta maturando sta lavorando anche per una futura architettura orbitale, con lo sviluppo di un nuovo propulsore, il BE-4.

Tra l'altro vi sono alcune novità che riguardano proprio Bezos che pubblicherò a breve.

Sono convinto che tutto questo farà parte del nostro prossimo futuro, per me spettacolare ed entusiasmante. Un futuro in gran parte ancora da inventare ma che sembra essere non solo possibile, ma addirittura inevitabile.

Ogni buona idea è la benvenuta :-)