(AGG 2023/04/30) Starship, meravigliosi video al rallentatore del primo test di volo; ipotesi esperte su cosa è andato storto e come rimediare

Le riprese del fotografo Trevor Mahlmann e della squadra di Everyday Astronaut mostrano con un dettaglio stupefacente le fasi del volo di collaudo della Starship di SpaceX. Il rallentatore consente di notare che le onde di pressione sono talmente intense da diventare visibili nella nube di fiamme e polvere, e le irregolarità e disuniformità della combustione durante l’arrampicata verso il cielo sono chiaramente visibili.

Le posizioni di ripresa consentono anche di apprezzare con grande chiarezza le brusche variazioni di assetto che hanno caratterizzato le fasi finali del volo.

Finora la spiegazione più plausibile del grande numero di motori malfunzionanti è che la mancanza di un sistema di assorbimento delle onde di pressione abbia divelto la superficie in cemento armato sotto il piedistallo di lancio e parte dei detriti risultanti siano stati proiettati lateralmente, come si vede nei video, e abbiano colpito alcuni degli ugelli perimetrali.

Nel frattempo le autorità hanno revocato la licenza di lancio di Starship, come è prassi dopo un lancio terminato con conseguenze inattese non solo per il veicolo ma anche per l’ambiente (la pioggia di detriti).

Starship liftoff in slow motion pic.twitter.com/KqHjqwP88Z

— Elon Musk (@elonmusk) April 22, 2023

Elon Musk ha tweetato che tre mesi fa era iniziata la costruzione di una grande lastra in acciaio raffreddata ad acqua da piazzare sotto il piedistallo di lancio, ma non era pronta in tempo e sulla base dei test di accensione dei motori fatti prima del lancio, a metà potenza, si riteneva che la zona di lancio sarebbe sopravvissuta per almeno una partenza. Non è andata così.

La costruzione di una trincea di deviazione delle fiamme e di assorbimento delle onde di pressione sembra impossibile perché la falda acquifera è vicinissima alla superficie e l’area in cui sorge la base di SpaceX è zona protetta dal punto di vista ambientale (perlomeno secondo i singolari criteri statunitensi che permettono di installare in zona protetta un apparato industriale complesso e incline alle dispersioni incontrollate di materiale come una rampa di lancio di razzi spaziali).

Phil Metzger racconta un caso analogo di rampa di lancio priva di trincea: quella del piccolo veicolo spaziale sperimentale Morpheus, al cui progetto partecipò anni fa. Anche lì furono usate lastre in acciaio, e le analisi indicarono che il calore si sarebbe disperso abbastanza in fretta da evitare la fusione superficiale delle lastre. Secondo lui l’idea di Musk potrebbe funzionare. Metzger scrive anche molti altri dettagli interessanti, anche a proposito del disastro sfiorato del primo volo Shuttle a causa delle onde di pressione. Trascrivo qui le sue parole ma non ho tempo di tradurle al volo: dai commenti mi dicono che ci ha già pensato Marco Zambianchi su Forumastronautico.it.

We used steel plates for some of the Morpheus launch locations so we weren’t tied down to places with concrete. I analyzed the heating of the sheet and showed that the heat would redistribute fast enough that it would not locally melt on the surface, and that the steel plate was large enough to take the heat of the entire launch event without melting. To be conservative (because that’s what nasa does 😉) we also put paint-on ablative on the top of the steel. An ablative erodes under heat and thus uses up some of the heat keeping what was under the ablative cooler. (Partly we were just testing the use of ablative. It wasn’t just conservatism that motivated this.) So compare to Elon’s tweet about Starship. They plan to make their giant steel plate water-cooled. That way it doesn’t have to be large enough to take all the heat of the plume without melting, the way we designed the Morpheus steel plates. For such a large rocket that much steel would be excessive. And ablative would not be enough to solve this, either. Would the ablative need to be 3 feet thick?!!

But he said it will be water-cooled, which is an awesome idea. The water will be taking heat out of the steel in realtime so it won’t melt. Simple, and it should be effective. We still had two concerns. One was that the vaporized ablative was hazardous to breathe, but the rocket exhaust would dilute it into the air so no problem. (I still had to show this with math to convince the team.) The second was that the plate might be too hot to walk on so you had to wait for it to cool before going onto the pad. We handled that with operational procedures.

So we had the steel plates, the steel drop-in flame trench, instrumentation like cameras to record the launch, and lighting. We called this system “Launch Pad in a Box”. This concept was inspired in part when I was driving to Maine and passed a carnival ride folded up on a truck going down the highway. I had a vision of an entire launch complex folded up on a truck for transport so we could launch anywhere, anytime.

We got a picture of the truck and I showed it to the Swamp Works team. I think Rob Mueller was already having the same idea. He and I started fighting to get the idea funded. Meetings, meetings, meetings. And we got the funds. We were already working on these technologies when we applied them to Morpheus. The two projects were synergistic. We also talked about portable lighting arrestor towers but never developed that part of the kit. So all that was just to say that I like the idea SpaceX is pursuing. I think it will work great to solve the plume erosion problem.

It will *not* mitigate launch acoustics. The flat plat will reflect the sound back up along the sides of the vehicle, shaking the structure. There very first “sound” that happens on launch is the shockwave from engine ignition. It bounces off the pad then runs up the sides of the vehicle, stressing everything. At nasa it is called the “Initial OverPressure” or IOP. The IOP almost ruined the 1st Shuttle launch.

The reason there is a shockwave is because a converging-diverging rocket nozzle tricks the gas flow into going supersonic. The fuel burns in the combustion chamber and creates high pressure. The restriction at the throat causes the gas to “choke” at the speed of sound.

On the first Space Shuttle launch the IOP deflected the elevons— the control surfaces on the wings — so far the engineers were worried they could have snapped. So they added the water deluge system to absorb and break up the IOP shockwave.

After the IOP, the rocket exhaust continues to produce acoustic noise. It does this through turbulence. The noise is random — not like a coherent shockwave — but it is still a lot of energy that reflects off the pad and vibrates the rocket.

We do not have great models of acoustic noise production in rocket plumes. NASA’s models are conservative, predicting more noise than there really is. Therefore we build rocket structures stiffer than they really need to be. This wastes the mass margin, reducing payload mass.

So it is important to keep researching rocket plume acoustics to make rockets more efficient. But also, it is important to design launch pads to reduce acoustics so we can save more payload margin.

In the previous thread I told how we designed the portable flame trench for Morpheus to duct the acoustic energy away from the vehicle, because we think that acoustic energy is what destroyed the first Morpheus.

So I have no idea of the acoustics experienced by Starship or it’s structural beefiness. It may not be a problem at all, for all I know. I’m just saying that a flat steel plate does not do anything to reduce acoustic energy from coupling into the vehicle. If the rocket doesn’t mind the shaking, then fine. But it is easy to design systems that reduce launch acoustics and give more margin back to the vehicle, so if SpaceX decided to do so then it could be done.

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2023/04/30. Astrospace.it riferisce che Elon Musk ha tenuto un intervento riservato agli abbonati al suo profilo su Twitter, nel quale ha detto varie cose (leggete l’articolo di Astrospace per i dettagli e per molte altre informazioni):

• non ci sono conferme che i danni ai motori siano stati causati dall’impatto con detriti;
• la base della rampa verrà rinforzata in acciaio al posto del cemento armato;
• il sistema di autodistruzione (FTS o Flight Termination System) è intervenuto troppo lentamente e andrà ricertificato;
• tre dei 33 motori del primo stadio non sono stati accesi da SpaceX intenzionalmente perché “non erano pronti”;
• l’allontanamento laterale dalla rampa non era voluto ma è stato causato dalla mancanza di tre motori;
• il costo del progetto Starship nel 2023 sarà intorno ai 2 miliardi di dollari.