In che modo i razzi atterrano sulla Terra? L'incredibile tecnologia coinvolta

L'oceano è un cimitero di razzi. I detriti di migliaia di razzi, satelliti e navette bruciati ricoprono il fondo dell'oceano. Riutilizzare i razzi significa meno sprechi, meno costi e la possibilità di tornare da una destinazione molto più facilmente.

Vedere i veicoli spaziali atterrare e decollare facilmente è qualcosa che abbiamo visto migliaia di volte nei film. Ora lo vediamo anche nella vita reale. SpaceX ha ora lanciato e fatto atterrare con successo più di 50 razzi da quando hanno iniziato a provare nel 2015.

Quindi, come fanno i razzi ad atterrare sulla Terra? Questo articolo tratterà l'incredibile tecnologia alla base dei razzi riutilizzabili.

Le sfide di atterraggio di razzi

Ci sono diverse sfide con i razzi di atterraggio, anche quando sono solo parzialmente riutilizzabili.

• Carburante: Per sfuggire all'atmosfera terrestre, è necessario che un razzo raggiunga l'incredibile velocità di 17.500 miglia orarie, altrimenti nota come velocità di fuga. Ciò richiede una quantità colossale di carburante. Il carburante è solitamente ossigeno liquido incredibilmente costoso. Per far atterrare con successo un razzo, è necessaria una riserva di carburante.
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• Protezione termica: Per una vera riutilizzabilità, l'intero razzo deve essere dotato di protezione termica, qualcosa di solito lasciato solo per la parte che ricadrà sulla Terra. Ciò impedisce che parti del razzo vengano danneggiate o distrutte al rientro nell'atmosfera terrestre. Questo vale anche per razzi puntati su Marte.
• Carrello di atterraggio: Il razzo richiede anche un carrello di atterraggio. Questo deve essere reso il più leggero possibile pur mantenendo la forza necessaria per supportare il massiccio razzo (il Falcon 9, uno dei razzi di SpaceX, pesa 550 tonnellate).
• Peso: Più pesante è un'astronave, più carburante è necessario e più difficile sarà il rientro. I serbatoi di carburante vuoti aggiungono resistenza e peso al razzo, motivo per cui i serbatoi di carburante di solito vengono fatti cadere e lasciati bruciare nell'atmosfera. Inoltre, la protezione termica e il carrello di atterraggio aggiungono un peso significativo.

Come abbiamo accennato, SpaceX ha gestito questa incredibile impresa molte volte adesso. Quindi qual è la straordinaria tecnologia dietro i razzi riutilizzabili?

Stampa 3D

La stampa 3D è industrie rivoluzionarie in tutto il mondo, non ultima la tecnologia alla base dei razzi. In effetti, alcuni razzi sono ora quasi interamente stampati in 3D.

Un vantaggio della stampa 3D è che gli ingegneri possono produrre complessivamente meno parti. Le parti stampate possono essere molto più complesse e non necessitano di strumenti di produzione costosi e unici per ciascuna parte. Ciò riduce i costi di costruzione dei razzi e aumenta l'efficienza del processo di produzione.

La stampa 3D dei serbatoi di carburante significa che non hai bisogno di cuciture nel metallo, un tipico punto debole che può causare problemi nei razzi. Un altro importante vantaggio della stampa 3D è la capacità di produrre parti ottiche da materiali leggeri, riducendo il peso complessivo dei razzi.

Retropropulsione e guida

Affinché un razzo atterri, la spinta retrograda deve essere maggiore del peso del razzo. Deve anche essere vettoriale, il che significa che la spinta è direzionale e può essere utilizzata per stabilizzare la discesa del razzo.

Affinché la retropropulsione possa stabilizzare il razzo, è necessario disporre di informazioni altamente accurate sulla posizione, l'altitudine e l'angolo del razzo. Ciò richiede sistemi ad alta tecnologia che forniscano misurazioni accurate e in tempo reale con feedback diretto ai propulsori. Questi sono chiamati sistemi di controllo della reazione (RCS).

Sistemi di controllo della reazione

Un RCS fornisce piccole quantità di spinta in diverse direzioni per controllare l'altitudine e la rotazione del razzo. Considera il fatto che la rotazione può includere rollio, beccheggio e imbardata, e che l'RCS dovrà impedire tutto ciò contemporaneamente controllando anche la discesa del razzo.

L'RCS utilizza diversi propulsori posizionati in una configurazione ottimale attorno al razzo. La sfida principale con i propulsori è garantire il risparmio di carburante.

Un esempio è il sistema missilistico Merlin di SpaceX. Questa è una suite di 10 motori separati controllati da un sistema di controllo a tripla ridondanza. Ciascuno dei 10 motori ha un'unità di elaborazione e ciascuna unità di elaborazione utilizza tre computer che si monitorano costantemente l'un l'altro per ridurre drasticamente la possibilità di errori.

Il motore Merlin utilizza RP-1 (cherosene altamente raffinato) e ossigeno liquido come propellenti. La versione più recente del motore può accelerare (controllando quanta potenza utilizza) fino al 39% della sua spinta massima, che è essenziale per il controllo di alto livello durante l'atterraggio del razzo.

Alette della griglia

Le alette della griglia vengono utilizzate per guidare i razzi riutilizzabili come il Falcon 9 alla loro posizione di atterraggio. Inventate negli anni '50, le pinne a griglia sono state utilizzate in diversi missili.

Le pinne della griglia hanno l'aspetto di schiacciapatate che sporgono con un angolo perpendicolare dal razzo. Sono utilizzati perché consentono un alto livello di controllo sul volo del razzo a velocità ipersoniche e supersoniche. Al contrario, le ali tradizionali causano onde d'urto e aumentano la resistenza a queste velocità molto più elevate.

Poiché le alette della griglia consentono il flusso d'aria attraverso l'aletta stessa, ha una resistenza molto inferiore, mentre il razzo può essere ruotato o stabilizzato ruotando o lanciando l'aletta proprio come un'ala, ma in modo più efficiente.

Un altro motivo per cui vengono utilizzate le multe di rete è che, con i razzi riutilizzabili, stanno tecnicamente volando all'indietro quando atterrano. Ciò significa che le estremità anteriore e posteriore del razzo devono essere abbastanza simili in modo che possano essere controllate in entrambe le direzioni.

Carrello di atterraggio

Ovviamente, un razzo riutilizzabile avrà bisogno di un qualche tipo di carrello di atterraggio. Questi devono essere abbastanza leggeri da non aumentare drasticamente la quantità di carburante necessaria per il volo e il rientro, ma anche abbastanza forti da sostenere il peso del razzo.

Attualmente, i razzi SpaceX utilizzano 4 gambe di atterraggio che vengono piegate contro il corpo del razzo durante il volo. Questi poi si piegano usando la gravità prima dell'atterraggio.

Ma Elon Musk ha dichiarato nel gennaio 2021 che per il più grande razzo di SpaceX di sempre, il booster Super Heavy, avrebbero mirato a "catturare" il razzo usando il braccio della torre di lancio. Ciò ridurrà il peso del razzo perché non avrà più bisogno di gambe di atterraggio.

Atterrare nella torre di lancio significa anche che il razzo non dovrà essere trasportato per il riutilizzo. Invece, avrà solo bisogno di essere rimontato e alimentato dove si trova.

Non è tutto

I razzi decollano e volano nello spazio da decenni, ma farli tornare sani e salvi sulla Terra per il riutilizzo ha richiesto molte scoperte tecnologiche.

Non siamo riusciti a coprire tutta la straordinaria tecnologia utilizzata nei razzi che possono atterrare sulla Terra, ma speriamo che tu abbia imparato qualcosa di nuovo in questo articolo! La tecnologia dei voli spaziali si sta espandendo rapidamente ed è emozionante considerare cosa potrebbe essere possibile in pochi anni.

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