Veicoli spaziali

Costruzione di un veicolo spaziale

I veicoli spaziali possono avere molte forme e dimensioni diverse. Eseguono anche compiti molto diversi tra loro. A differenza delle automobili, è raro trovare più di 10 satelliti uguali. La maggior parte sono pezzi unici, ognuno attentamente montato a mano. Ma, nonostante ciò, sono tutti progettati e costruiti nello stesso modo.

Un satellite è formato da due parti principali: la piattaforma (o bus) e il carico utile (strumenti o esperimenti).
La piattaforma è la struttura metallica di base. Deve essere robusta, ma anche leggera. Comprende la struttura attorno alla quale vengono costruiti gli elementi e i vari sistemi del veicolo spaziale – propulsori, motore principale, serbatoi di carburante e alimentatore. Il carico comprende l'attrezzatura per comunicare con la Terra, le telecamere e altri strumenti scientifici.

Le parti di un satellite vengono costruite in molti posti diversi. Quindi sono tutte inviate in un unico centro, dove saranno montate e collaudate in speciali camere sterili. Solo allora il veicolo spaziale viene mandato al centro di lancio.

Visto che non ci sono officine nello spazio, molti satelliti trasportano anche i loro 'pezzi di ricambio'. Se si verifica un guasto, i controller a terra possono ordinare al veicolo di utilizzare un componente di riserva.

Molte parti

Un'automobile senza ruote o senza motore non serve a molto. Nello stesso modo, il satellite deve incorporare alcune parti essenziali.

La maggior parte dei veicoli spaziali dipende dalle batterie e dalle celle solari per la propria alimentazione. Le celle solari sono elementi simili a cialde in silicio o altri materiali che producono elettricità quando vengono colpite dalla luce solare.

Se migliaia di queste celle vengono collegate in grandi pannelli per formare i pannelli solari, possono alimentare un veicolo spaziale di considerevoli dimensioni. Le celle, quando esposte alla luce del Sole, caricano anche le batterie. Così, quando il veicolo spaziale entra in una zona d'ombra, sono le batterie a fornire l'alimentazione.

Il veicolo spaziale trasporta diverse antenne che funzionano come delle orecchie e garantiscono i collegamenti di comunicazione con la Terra. La più importante di queste è una parabola di 2 m di diametro che può inviare e ricevere grandi quantità di dati e informazioni.

Il cervello del veicolo spaziale è il computer. I dati possono essere archiviati nella memoria del computer o inviati sulla Terra in tempo reale attraverso le antenne.

Il computer memorizza anche le istruzioni su come far funzionare il veicolo spaziale. In questo modo c'è sempre una soluzione di riserva se si perde il contatto con la Terra o in caso di guasto.

Per navigare nello spazio, il veicolo ha bisogno anche di piccoli motori. Vengono utilizzati diversi tipi di motori.

Per girare e ruotare, si accendono i propulsori. Questi espellono gas caldi nello spazio ad alta velocità. Alcuni satelliti hanno invece motori ionici. Essi utilizzano un forte campo elettrico per espellere il gas nello spazio.

Tutte le forme e le dimensioni

Visto che non c'è aria nello spazio, un veicolo spaziale può avere più o meno qualsiasi forma.

Le dimensioni, invece, rappresentano un problema maggiore. Il veicolo spaziale deve poter rientrare nella carenatura del missile. Inoltre, il missile deve avere abbastanza potenza da portarlo in orbita.

Il primo satellite del mondo, lo Sputnik, pesava 83,6 kg ed era grande come un palla da basket. Oggi, i satelliti per le comunicazioni pesano fino a 6 tonnellate (6000 kg).

I moduli utilizzati per costruire le stazioni spaziali sono ancora più grandi. Il cargo ATV (Automated Transfer Vehicle) da 20 tonnellate dell'ESA trasporterà fino a 9 tonnellate di carico ed esperimenti fino alla stazione spaziale internazionale.
La forma di un veicolo spaziale dipende principalmente da fatto che debba ruotare o no nello spazio.

Alcuni satelliti, come Meteosat, ruotano e hanno quindi una forma a tamburo. Ma la maggior parte dei satelliti di oggi non ruota, ed è di forma quadrata. I satelliti hanno a bordo diversi strumenti, come le telecamere, e sono progettati per rimanere rivolti nella stessa direzione la maggior parte del tempo.

Alcuni trasportano grandi 'ali', cioè pannelli solari, che trasformano la luce del Sole in elettricità, e girano in modo da puntare sempre verso il Sole. I satelliti più piccoli spesso hanno invece pannelli solari piatti lungo i quattro lati.
I moduli di atterraggio sono diversi. Devono infatti sopportare un fortissimo calore mentre viaggiano attraverso l'aria. La sonda Huygens ha la forma di un disco con uno schermo termico sul davanti.

Il funzionamento di un razzo vettore moderno.

Innanzitutto, dobbiamo però capire che cosa avviene all'interno di un motore a razzo. In poche parole, il combustibile (che può essere sia solido che liquido che gassoso) reagisce con il comburente, l'ossigeno: questa reazione in chimica viene detta di combustione. Il prodotto di questa reazione, solitamente un gas, esercita una certa pressione uguale in tutte le direzioni. Questa pressione è la forza che darà la spinta a tutto il dispositivo per effetto dell'azione-reazione sopra descritta.

Qui bisogna però fare una precisazione: finora si è infatti parlato di motori a "reazione" e a "razzo". Convenzionalmente, per motore a reazione si intende quello che prende il comburente dall'ambiente esterno (ES: i jet), mentre per motore a razzo si intende quello che porta con se il comburente insieme al combustibile (ES: i missili).

E' naturale pensare che un motore che debba funzionare anche in assenza di ossigeno deve essere un motore a razzo. Proprio per questo, il motore a razzo è stata la chiave dell'esplorazione spaziale fino ad ora, perché in grado di agire fuori dall'atmosfera terrestre, ma ha grosse limitazioni. In primo luogo, il consumo di propellenti. Il fatto che un razzo, esaurita la sua scorta di carburante non abbia più modo di muoversi, è il più grosso problema legato a questo dispositivo. Poi c'è il fatto delle dimensioni: per poter trasportare tutto il propellente e le apparecchiature delle missioni i razzi devono essere di dimensioni enormi.

Queste due problematiche sono state risolte in parte con l'uso dei vettori a più stadi, ma il continuo allargamento delle frontiere dell'umanità ha spinto l'uomo stesso a cercare nuove tecnologie per esplorare ancora più "comodamente" il cosmo. La sfida degli ingegneri aero-spaziali del nuovo millennio è quindi questa: trovare nuovi "motori" (magari che risolvano del tutto i problemi di propellenti e dimensioni) in grado di raggiungere gli orizzonti dello spazio mai esplorato prima.

wow! very intresting, mi ero sempre kiesta come funzionasse, ma nn pensavo fosse così!

Quali sono i combustibili utilizzati dagli shuttle?

Per poter decollare ed in seguito spostarsi nell'ambiente spaziale lo shuttle è dotato dei seguenti motori:


- 3 motori principali a combustibile liquido che "bruciano" idrogeno e ossigeno liquidi contenuti nel tank principale (quello di colore arancione che si può scorgere sotto la pancia della navetta). I tre motori si trovano a bordo della navetta e sono costituiti molto semplicemente da una camera di combustione dove vengono iniettati i due gas in proporzioni opportune.
Le reazioni chimiche che ne derivano sviluppano una temperatura di 3000-4500°C, ed i prodotti di combustione si espandono sulla superficie dell'ugello sino a raggiungere velocità di 4500m/s. Ciascuno di questi 3 motori è in grado di fornire una spinta di 2.100.000 newton!
Il propellente liquido richiesto per mettere in orbita la navetta è:
541.482 Litri di Ossigeno liquido per un totale di 616.493 Kg di peso
1.449.905 litri di Idrogeno liquido per un totale di 756.441 Kg di peso

- 2 motori secondari posti sui booster laterali della navetta che utilizzano combustibile solido. Essi forniscono una fondamentale spinta di sostegno ai tre motori principali della navetta pari a 26.688 newton (ciascuno) e utilizzano i seguenti combustibili:
tetrossido di azoto (N2O4)
monometilidrazina (MMH)
I due composti chimici sono uniti in una amalgama che viene detta doppia base catalizzata (DB) o semplicemente doppia base, al cui interno viene inserita una certa percentuale (16-20%) di particolato solido di alluminio (quello che all'accensione dei motori lascia una lunga scia di fuoco) che serve essenzialmente a controllare le reazioni di combustione che potrebbero altrimenti diventare incontrollate con risultati catastrofici.
Il fatto strano è che non esiste ancora una solida teoria che spieghi chiaramente come mai il particolato di alluminio (e solo questo elemento) in quella percentuale (e solo in quella, ma comunque diversa per ogni motore spaziale), sia in grado di rendere controllabili le reazioni di combustione nei motori a propellente solido.

- 40 motori di controllo d'assetto, 16 anteriori e 24 posteriori, funzionanti ancora a N2O4/MMH (2% di particolato di alluminio) per una spinta di 900 libbre ciascuno.

- 6 motori di separazione dei booster laterali (2 anteriori e 4 posteriori) funzionanti ancora a N2O4 N2O4/MMH (2% di particolato di alluminio) per una spinta di 25 libbre ciascuno.