Perché i razzi hanno bisogno di fasi? La ricerca per costruire un singolo stadio in orbita (SSTO)

Ora, non fraintendetemi, la fantascienza è fantastica. Come quasi tutti coloro che lavorano nel campo dello spazio e dell'astronomia, sono stato profondamente influenzato dalla fantascienza. Per me è stato Star Trek e Star Wars. Avevo un phaser giocattolo che emetteva questo fantastico suono phaser davvero forte, e ci ho giocato senza sosta finché un giorno non è scomparso. Ed ero sicuro di averlo lasciato in mezzo al mio pavimento, come ho fatto con tutti i miei giocattoli, ma l'ho trovato qualche anno dopo, nascosto in un armadio che non potevo raggiungere. E mi sono sempre chiesto come ci fosse arrivato.

Comunque, torniamo alla fantascienza. Nonostante tutta la sua ispirazione, la fantascienza ha messo nel nostro cervello alcune idee che non sono del tutto utili. Sai, motori a curvatura, gravità artificiale, teletrasporto e razzi che decollano, volano nello spazio, visitano altri pianeti in orbita attorno alle stelle, atterrano di nuovo.

I Millennium Falcon, Firefly e Enterprise Shuttle sono tutti esempi di un singolo stadio per orbitare per orbitare veicoli spaziali, o SSTO.

Considera i razzi che esistono in realtà, sai, gli atlanti, i falchi e i delta. Decollano da una rampa di lancio, volano per un po' fino a quando il carburante non si esaurisce in una fase del razzo, quindi gettano a mare quella fase e si spingono con la fase successiva. Il potente Saturn V era così potente da avere tre stadi, mentre si faceva strada in orbita.

Schema del veicolo di lancio Saturn V. Credito: NASA/MSFC

Come abbiamo discusso in un precedente articolo, SpaceX sta lavorando per rendere riutilizzabile il primo stadio e forse anche il secondo stadio , che è un enorme miglioramento rispetto a lasciare che tutto bruci, ma non ci sono razzi che volano effettivamente in orbita e ritorno in un unico stadio. In effetti, utilizzare la tecnologia di cui disponiamo oggi, probabilmente non è una buona idea.

Qualcuno ha mai lavorato su un singolo stadio per orbitare? Quali progressi tecnologici saranno necessari per farlo funzionare?

Come ho detto prima, un singolo stadio per orbitare un razzo sarebbe qualcosa come il Millennium Falcon. Trasporta carburante e quindi utilizza quel carburante per volare in orbita e da un mondo all'altro. Una volta esaurito il carburante, si riempie di nuovo e poi riparte, facendo la corsa di Kessel ed evitando i blocchi imperiali.

Questo concetto di razzo corrisponde alla nostra esperienza personale con ogni altro veicolo in cui siamo mai stati. Guidi la tua auto e fai rifornimento, lo stesso con barche, aeroplani e ogni altra forma di trasporto terrestre.

Ma volare nello spazio richiede un dispendio di energia che sfida la comprensione. Lasciate che vi faccia un esempio. Un razzo Falcon 9 può sollevare circa 22.800 chilogrammi nell'orbita terrestre bassa. È più o meno come un camion di cemento a pieno carico, il che è molto.

SpaceX Falcon 9 pronto per il 14 gennaio 2017, lancio di ritorno al volo dalla base dell'aeronautica di Vandenberg in California che trasporta dieci comsat Iridium NEXT in orbita. Credito: SpaceX

L'intero Falcon 9 alimentato pesa poco più di 540.000 kg, di cui più di 510.000 kg sono carburante, con una piccola massa in più per i motori, i serbatoi del carburante, ecc. Immagina di guidare un'auto che era essenzialmente al 95% di carburante.

Il problema è l'impulso specifico; la quantità massima di spinta che un tipo specifico di motore e tipo di carburante può raggiungere. Non entrerò in tutti i dettagli, ma i razzi chimici più efficienti che abbiamo, alimentati da idrogeno liquido e ossigeno, possono appena fornire una spinta sufficiente per portarti in orbita. Hanno un impulso specifico massimo di circa 450 secondi.

Poiché la quantità di carburante necessaria per lanciare un razzo è così elevata, i razzi moderni utilizzano un sistema di stadiazione. Una volta che uno stadio ha svuotato tutto il suo carburante, si stacca e ritorna sulla Terra in modo che il secondo stadio possa continuare senza dover trascinare con sé il peso extra dei serbatoi di carburante vuoti.

Dopo la separazione dello stadio del razzo Falcon 9, le fiamme sono appena visibili intorno all'ugello mentre il motore del secondo stadio si accende e il primo stadio ricade sulla Terra sottostante. Credito: SpaceX

Potresti essere sorpreso di sapere che molti razzi moderni sono effettivamente in grado di raggiungere l'orbita con un singolo stadio. Il problema è che non sarebbero in grado di trasportare alcun carico utile significativo.

Alla fine della giornata, considerando i razzi chimici che abbiamo oggi, il profilo a più stadi è la strategia più efficiente ed economica per trasportare il maggior carico utile nello spazio al minor costo possibile.

Qualcuno ha provato a sviluppare SSTO in passato? Decisamente. Probabilmente il più ampiamente pubblicizzato è stato il programma X-33/VentureStar della NASA, sviluppato da Lockheed Martin negli anni '90.

La sonda spaziale X-33 proposta. Credito: NASA

Lo scopo dell'X-33 era testare una serie di nuove tecnologie per la NASA, inclusi serbatoi di carburante compositi, volo autonomo e un nuovo design del corpo di sollevamento.

Per farlo funzionare, hanno sviluppato un nuovo tipo di motore a razzo chiamato 'aerospike'. A differenza di un normale motore a razzo che fornisce una quantità fissa di spinta, un aerospike potrebbe essere rallentato come un motore a reazione, utilizzando meno carburante a quote più basse, dove l'atmosfera è più densa.

Il test dei due motori Linear Aerospike XRS-2200, originariamente costruiti per il programma X-33, è stato eseguito il 6 agosto 2001 presso lo Sternis Space Center della NASA, nel Mississippi. I motori sono stati accesi per i 90 secondi previsti e hanno raggiunto una potenza massima prevista dell'85%. Credito: Marshall Space Flight Center della NASA

Lockheed Martin stava lavorando su un prototipo in scala 1/3, ma ha avuto difficoltà con molte delle nuove tecnologie. Alla fine, la loro incapacità di costruire un serbatoio di carburante composito che potesse contenere l'ossigeno liquido e l'idrogeno li ha costretti ad abbandonare il progetto.

Anche se fossero riusciti a far funzionare la tecnologia, quindi l'X-33 fosse completamente riutilizzabile, la sua capacità di trasportare un carico utile sarebbe stata notevolmente inferiore rispetto a un tradizionale razzo a più stadi.

Per realizzare davvero il sogno di un singolo stadio in orbita, dobbiamo allontanarci dai razzi chimici e passare a un tipo di motore in grado di fornire la spinta in modo più efficiente.

Sappiamo che i jet funzionano in modo più efficiente dei razzi, perché hanno solo bisogno di trasportare carburante. Assorbono ossigeno dall'atmosfera, per bruciare il carburante. Quindi un'idea intrigante è quella di creare un razzo che si comporti come un motore a reazione mentre è nell'atmosfera, e poi si comporti come un razzo una volta uscito nello spazio.

E questo è il piano con il razzo britannico Skylon. Decollerebbe da una pista regolare, accelererebbe a circa 6.600 km/h raggiungendo un'altitudine di 26 chilometri. Per tutto questo tempo, il suo motore SABRE avrebbe assorbito ossigeno dall'atmosfera, combinandolo con l'idrogeno.

Una concezione artistica della navicella spaziale Skylon di Reaction Engines. Credito: motori di reazione

Da questo punto, passerebbe a un serbatoio di ossigeno liquido interno per fornire ossidante e completare il volo verso l'orbita. Per tutto il tempo utilizzando lo stesso motore flessibile SABRE. Una volta in orbita, avrebbe rilasciato il suo carico utile di 15 tonnellate e poi sarebbe tornato sulla Terra, atterrando su una pista come ha fatto l'orbiter dello Space Shuttle. È un'idea davvero creativa.

Sfortunatamente, lo sviluppo dello Skylon ha richiesto molto tempo, con budget ridotti che limitano la quantità di test che sono stati in grado di fare. Se tutto va bene, il primo prototipo potrebbe volare entro pochi anni, quindi restate sintonizzati su questa storia.

Un'altra idea che ha avuto alcuni test è l'idea di un razzo nucleare. A differenza di un razzo chimico, che brucia carburante e lo fa esplodere per la spinta, un razzo nucleare porterebbe a bordo un reattore. Riscalderebbe una sorta di combustibile funzionante, come l'idrogeno liquido, e poi lo farebbe esplodere sul retro per la propulsione.

Gli elementi chiave di un motore nucleare a nucleo solido NERVA. Credito: NASA

La NASA ha fatto alcuni test alcuni decenni fa con un razzo termico nucleare chiamato NERVA e ha scoperto che potevano sostenere alti livelli di spinta per periodi di tempo molto lunghi. Il loro prototipo finale ha fornito una spinta continua per oltre 2 ore, inclusi 28 minuti a piena potenza.

La NASA ha calcolato che un razzo a propulsione nucleare sarebbe circa due volte più efficiente di un razzo chimico tradizionale. Avrebbe un impulso specifico di oltre 950 secondi. Ma far volare un razzo nucleare nello spazio ha uno svantaggio significativo. I razzi esplodono. È brutto quando un razzo chimico esplode, ma se un reattore nucleare esplodesse mentre si fa strada attraverso l'atmosfera, pioverebbero detriti radioattivi. Per ora, questo è considerato un rischio troppo grande; tuttavia, le future missioni interplanetarie potrebbero benissimo utilizzare razzi nucleari.

C'è un altro sistema di alimentazione esotico che è davvero eccitante: l'idrogeno metallico. Questa forma solida appare naturalmente nel cuore di Giove, sotto l'incredibile pressione della gravità del pianeta. Ma all'inizio di quest'anno, i ricercatori di Harvard ne hanno finalmente creati alcuni in laboratorio. Hanno usato una minuscola morsa per spremere gli atomi di idrogeno con più forza delle pressioni al centro della Terra.

Immagini microscopiche delle fasi della creazione dell'idrogeno molecolare atomico: idrogeno molecolare trasparente (a sinistra) a circa 200 GPa, che viene convertito in idrogeno molecolare nero, e infine idrogeno metallico atomico riflettente a 495 GPa. Credito: Isaac Silvera

Ci è voluta un'enorme quantità di energia per comprimere l'idrogeno in modo così stretto, ma in teoria, una volta realizzato, dovrebbe essere relativamente stabile. Ed ecco la parte migliore. Quando lo accendi, recuperi quell'energia.

Se usato come carburante per missili, fornirebbe un impulso specifico di 1700 secondi. Confrontalo con i soli 450 dei razzi chimici. Un razzo alimentato da idrogeno metallico entrerebbe facilmente in orbita con un singolo stadio e viaggerebbe in modo efficiente verso altri pianeti.

I razzi Single Stage to Orbit sarebbero fantastici. La fantascienza lo ha predetto. Detto questo, alla fine della giornata, qualunque cosa porti in orbita la maggior quantità di carico utile al prezzo più basso è il sistema missilistico più interessante. E in questo momento, sono razzi in scena.

Tuttavia, un problema più grande potrebbe essere l'affidabilità e la riutilizzabilità. Se riesci a ottenere un singolo veicolo che decolla, viaggia in orbita e poi torna alla sua piattaforma di lancio, non puoi ottenere niente di più semplice di così. Nessun razzo da riporre, nessuna chiatta da navigare. Basta usare e riutilizzare lo stesso sistema ancora e ancora, e questa è un'idea davvero eccitante.

Proprio in questo momento, i razzi riutilizzabili in scena come SpaceX hanno il vantaggio, ma se e quando lo Skylon inizierà a volare, penso che avremo una seria competizione.

Una volta che avremo padroneggiato l'idrogeno metallico, il volo spaziale avrà un aspetto molto diverso. La realtà scientifica corrisponderà quasi alla fantascienza e finalmente sarò in grado di pilotare il mio personale Millennium Falcon.

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