Corriere nello spazio: articolo spensierato sui lanciatori leggeri

• 27 ottobre 2020

Immaginiamo di voler spedire una tonnellata di cioccolato su di un futuristico villaggio turistico spaziale: scegliamo insieme il tipo di mezzo più adatto per farlo. Prima di tutto è necessario avere le idee chiare sulla destinazione e sulla massa (e volume) dell’oggetto da spedire. I dati rilevanti e indispensabili sono i parametri dell’orbita su cui è parcheggiato l’hotel (orbita geostazionaria, distanza minima e massima dalla terra, inclinazione, eccentricità dell’ellisse, ecc.), la massa di cioccolato (1 t) e il volume che esso occupa (ipotizzato essere circa 1 m3). La nostra golosa missione ha come ipotetico target un’orbita LEO (Low Earth Orbit), che presenta un’altitudine compresa tra l’atmosfera e le fasce di Van Allen ed un carico utile catalogabile come “leggero”. Quale lanciatore sarà adatto? La domanda è la stessa che si pongono i corrieri di fronte alla destinazione del viaggio: sono più comodi e adatti camion con doppio rimorchio o è sufficiente una macchina di piccole dimensioni? Meglio motori elettrici o alimentati a diesel?…

Noti i prerequisiti della missione, si potrà scegliere il tipo di lanciatore che più ci aggrada già presente sul mercato, dunque si procederà con l’analisi di missione, la quale prevederà anche passaggi più critici e delicati come la decisione del punto nello spazio in cui praticare una manovra e il numero di impulsi propulsivi necessari ai fini di minimizzare i costi (supponendo che il fattore tempo non sia rilevante, pensando che il cioccolato scelto abbia una data di scadenza lontana); nel nostro studio semplificato ci fermeremo alla scelta del tipo di lanciatore, analizzando quelli già presenti sul mercato.

Un lanciatore, detto anche “vettore” e volgarmente “ razzo”, è un veicolo propulso che ha come scopo quello di spedire un carico utile nello spazio; essi sono classificati in lanciatori leggeri se il loro carico utile non supera le due tonnellate (in orbite LEO), lanciatori medi se il massimo carico è compreso tra 2 e 20 tonnellate, poi vi sono lanciatori pesanti e super-pesanti come l’SLS. Un esempio di lanciatore leggero che potremmo utilizzare per il trasporto del nostro cioccolato è il VEGA, oppure il Sojus o il Falcon 9, di medie dimensioni, nel caso in cui il nostro cioccolato venisse spedito insieme ad altre attrezzature.

Una volta scelta la taglia del razzo, è importante capire l’importanza della sua STADIAZIONE: è meglio avere un razzo con un unico serbatoio e motore, dunque “monostadio”, oppure è opportuno avere la facoltà di sganciare gradualmente durante la salita i serbatoi, mano a mano che il propellente viene esaurito? La risposta è semplice. Con l’aiuto dell’elegante formula di Tsiolkovski: Vf-Vi=-g*Is*ln(Mf/Mi), dove Vi e Mi sono la velocità e massa iniziali di ogni stadio, Vf e Mf la velocità e massa finale, g e Is rispettivamente l’accelerazione gravitazionale e l’impulso specifico del motore. Si ricorda che durante la salita la massa del vettore diminuisce sensibilmente perchè il propellente (“il carburante”) viene via via consumato; inoltre, nella formula, la differenza di velocità che appare è proporzionale al costo della missione. Nello specifico, ciò che interessa nella formula è il legame tra differenza di velocità e rapporto tra masse: per un vettore monostadio il rapporto tra massa al punto di arrivo e alla partenza è tipicamente 0.15, ossia l’85% del peso del lanciatore in partenza è occupato dal propellente. Dato che il propellente, come la benzina per automobili, è molto caro, il numero che abbiamo è folle, esorbitante. Fattibile, ma inutilmente costoso. Le cose cambiano in un motore a multistadio: grazie alla segmentazione dei serbatoi, è possibile sganciare a varie altezze un recipiente ormai vuoto, eliminando dunque materiale inutile ai fini propulsivi; con tale tecnica inoltre è possibile avere diversi motori con diversi ugelli adatti ad altitudini diverse, permettendo al razzo di risparmiare ulteriormente propellente. Tale ragionamento però non vale all’infinito, infatti per avere un considerevole risparmio, il numero massimo di stadi è quattro ed oltre a questo la convenienza non crescerebbe, inserendo solamente problematiche progettuali.

Un vettore adatto alla “missione cioccolato” è il lanciatore VEGA, il cui progetto nacque in Italia e venne in seguito acquisito dall’ESA (Agenzia Spaziale Europea), ma attualmente operativo per la società Arianspace; esso è in grado di trasportare 1.5 tonnellate di carico utile, in caso di orbita polare (inclinata di 90° rispetto all’equatore), con una massa iniziale di lancio pari a 128 tonnellate (circa il 18% del peso dell’Ariane V) e di 30 metri d’altezza. Il razzo è composto da quattro stadi, nello specifico tre a propulsione solida ed uno a propulsione liquida che controlla l’assetto e la traiettoria; i primi tre stadi sono chiamati P80, Zefiro 23 e Zefiro 9 e permettono al lanciatore di raggiungere l’altitudine richiesta, mentre Avum è lo stadio finale ed ha il compito di portare il carico utile fino a destinazione. Il razzo offre una valida alternativa ai vettori americani, cinesi e russi, portanto un risparmio del circa 15-20% sul nostro costo di spedizione spaziale; grazie al lancio di Vega avvenuto lo scorso 3 settembre, ASI ed ESA hanno dato inizio al trasporto spaziale “low cost” europeo.

Un’opzione innovativa è quella adottata da Virgin Orbit, che prevede l’accensione del vettore LauncherOne già in quota, dopo essere stato trasportato da un aereo; “purtroppo” potrebbe trasportare al massimo 500 kg, metà del cioccolato richiesto… ma risulta essere molto conveniente ed utile in caso di satelliti di piccola taglia! Il progetto è nuovo ed ha visto il volo inaugurale solamente il 25 Maggio 2020; come si intuisce dalle numerose proposte e nascita di nuove aziende, il settore aerospaziale è in continua evoluzione.

Il nostro pacco arriva così a destinazione, a fronte di spese non indifferenti, ma con l’avvento di società private e tecnologie innovative come stadi riutilizzabili, questi costi risulteranno sempre più bassi ed accessibili ad un pubblico maggiore. I piccoli vettori acquisiranno sempre più rilevanza perchè utilizzati soprattutto per soluzioni specializzate, ossia orbite ben precise come può essere quella di parcheggio del nostro villaggio turistico.

Leggi anche il nostro precedente articolo:
https://www.osservatoriosormano.it/it/news/le+nostre+news/Progetto%20VEGA/77