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Qual è il problema con le vibrazioni del razzo?
Nella mia copertura del successore della navetta spaziale della NASA, il razzo Ares, e la successiva capsula dell'equipaggio, Orion, mi sono imbattuto in un tema comune: le vibrazioni.
Sebbene possa sembrare un concetto semplice, le vibrazioni o lo scuotimento possono avere un effetto molto potente sull'avionica, sull'hardware e su qualsiasi essere umano a bordo di un razzo. Provengono da fonti come la spinta dei motori a razzo solido o dei booster al decollo e anche durante il volo, la combustione del propellente del razzo e la velocità assoluta a cui viaggia il razzo, oltre quattro volte la velocità del suono.
Dan Kanigan della NASA fa un ottimo lavoro nello spiegare le vibrazioni e il loro effetto sul razzo di volo di prova Ares I-X in questo articolo del blog . Inoltre, parla della soluzione della NASA al problema.
La vibrazione prodotta dalla combustione del propellente del razzo solido nel booster di primo stadio è chiamata oscillazione di spinta. Queste vibrazioni – o oscillazioni – si presentano sotto forma di onde, che viaggiano su e giù per la lunghezza del razzo come una nota musicale attraverso una canna d'organo. Una delle maggiori sfide in qualsiasi progetto di razzo è lo sviluppo di avionica (elettronica aeronautica) che possa funzionare in questo ambiente vibrante.
Tuttavia, le vibrazioni non sono solo un problema di razzo. Tutto l'hardware elettronico è testato per la sua capacità di gestire urti e vibrazioni. Un lettore MP3, ad esempio, deve essere testato per verificare la sua capacità di gestire le vibrazioni di qualcuno che cammina o fa jogging tenendolo in mano, posizionandolo su un piano di lavoro o facendolo cadere accidentalmente sul pavimento. Tuttavia, rispetto all'allenamento ricevuto dall'avionica di Ares I-X, il tuo lettore MP3 ha avuto una vita facile. Immagina di agitare il lettore MP3 all'interno di uno shaker automatico per la vernice per due minuti mentre continui a riprodurre i tuoi brani preferiti. Questo è un po' ciò che l'elettronica dell'I-X deve affrontare.
Jon Cowart, il vice project manager di Ares IX al Kennedy Space Center, ha dichiarato in un'intervista all'inizio di quest'anno che la raccolta di dati come dati aerodinamici, sollecitazioni, deformazioni, pressioni, temperature e vibrazioni è la parte più importante della missione del razzo , e sarà usato per rendere l'Ares I ancora migliore.
Eppure, Ares I-X è solo un esempio. La NASA ha combattuto il problema delle vibrazioni sin dall'Apollo. Quindi tali oscillazioni longitudinali causate dall'esaurimento del booster del primo stadio sono state denominate effetto Pogo ed erano particolarmente fastidiose per Saturn V. Durante un volo senza equipaggio dell'Apollo 6, un test critico prima che i voli con equipaggio potessero essere approvati, le vibrazioni effettivamente causavano il motore principale da spegnere.
I nuovi sistemi di interruzione del lancio in costruzione per il veicolo di esplorazione dell'equipaggio Orion della NASA stanno affrontando le stesse sfide. Quando la capsula e la torre di interruzione del lancio, che si trova sopra la capsula, si separano, un motore a razzo solido chiamato motore di interruzione si accende, bruciando il propellente molto rapidamente per allontanare il veicolo dal razzo. I pennacchi di gas caldi emessi dal motore sono la più grande fonte di rumore e vibrazioni che il veicolo sperimenterà durante il volo, afferma Henri Fuhrmann, responsabile del programma del nuovo sistema di interruzione del lancio a Scienze orbitali , una società aerospaziale che ha collaborato con la NASA per progettare e sviluppare il sistema di fuga. Così gli ingegneri hanno sviluppato ugelli a flusso inverso che ruotano il flusso dei gas di 155 gradi, lontano dalla capsula. Ciò ridurrà l'acustica, le vibrazioni e i carichi sulla capsula che potrebbero danneggiare l'elettronica e l'hardware. Questa è la prima volta che la tecnologia viene sviluppata su questa scala, afferma Fuhrmann. Il sistema di fuga di lancio su Apollo aveva motori a flusso diretto e quindi doveva aggiungere ulteriori strutture in acciaio per aumentare la distanza tra il motore e la capsula dell'equipaggio. Anche il sistema di fuga di lancio russo sulla navicella spaziale Soyuz utilizza ugelli a flusso diretto.
Kanigan dice che la prossima sfida è assicurarsi di poter controllare il razzo con tali vibrazioni. Per il nuovo lancio della NASA, gli ingegneri del sistema di interruzione hanno costruito un motore unico chiamato motore di controllo dell'assetto che guida e controlla la capsula. È anche il primo del suo genere e può far volare il veicolo avanti e indietro e capovolgere la capsula per riorientarlo in modo che lo scudo termico sia rivolto in avanti.
Sia Ares I-X che il veicolo di esplorazione dell'equipaggio di Orion fanno parte del Programma Costellazioni , un piano per inviare umani sulla luna e, poi, su Marte. Norm Augustine, il presidente di un gruppo incaricato di rivedere questo piano, ha detto in una conferenza stampa dopo la prima riunione del comitato in cui ha ascoltato idee su progetti alternativi ai razzi Ares che la cosa più interessante è stata la discussione su come le vibrazioni influenzano il design del razzo.