Starship e “hot staging”, cambiamenti radicali prima del prossimo volo di prova

Pubblicazione iniziale: 2023/06/29. Ultimo aggiornamento: 2023/08/19 12:50.

Secondo quanto dichiarato da Elon Musk, il prossimo volo di prova del vettore gigante Super Heavy insieme alla Starship dovrebbe mettere in pratica numerosi cambiamenti fondamentali dell’intero sistema di lancio.

La piattaforma di lancio, notevolmente danneggiata dal primo volo di prova del 20 aprile scorso, è stata riprogettata: sopra una gettata di cemento armato di oltre 1000 metri cubi verranno installate due lastre di acciaio nelle quali sono praticate delle canalizzazioni che convogliano acqua e la proiettano dal basso verso l’alto, in una sorta di gigantesco soffione da doccia capovolto. Questa soluzione dovrebbe permettere di smorzare l’onda di pressione acustica e il calore prodotti dai 33 motori del vettore, ed è radicalmente differente da quanto realizzato finora nel settore, ossia grandi trincee di convogliamento delle fiamme e teste di irrorazione laterali. Scavare trincee sarebbe onerosissimo a causa della natura del terreno nella zona di Boca Chica, in Texas, dalla quale partono attualmente questi lanci.

Inoltre i motori Raptor del veicolo verranno equipaggiati con attuatori elettrici per l’orientamento degli ugelli, al posto di quelli idraulici usati per il primo test, e verrà potenziata la protezione meccanica intorno a ciascun motore, in modo da rendere più difficili avarie in cascata di vari motori adiacenti, innescate dall’esplosione di un singolo motore.

Il cambiamento di gran lunga più vistoso e significativo, però, è il cosiddetto hot staging: i motori della Starship si accenderanno mentre la Starship sarà ancora agganciata al vettore Super Heavy, invece di attendere lo sgancio come previsto finora.

Questa tecnica non è innovativa: è stata usata per decenni, soprattutto da parte dei vettori russi (come la Soyuz e il vettore gigante N-1), che a questo scopo hanno un’intelaiatura aperta fra uno stadio e l’altro. La maggior parte dei lanciatori spaziali occidentali, invece, usa un metodo differente, ossia lascia che ogni stadio esaurisca la propria spinta e si sganci, e solo allora accende i motori dello stadio successivo. Il Saturn V era un esempio classico; un’eccezione era costituita dal Titan II statunitense.

Le griglie interstadio di hot staging del vettore sovietico N-1.

I rettangoli e i cerchi neri in alto sono le griglie di hot staging del vettore statunitense Titan II.

Un hot staging ha alcuni vantaggi:

• Non interrompe la spinta propulsiva durante l’arrampicata verso lo spazio, cosa che fa perdere velocità al veicolo, e quindi offre maggiore efficienza.
• Evita tutte le complicazioni di flusso del propellente derivanti da un’accensione effettuata dopo lo sgancio dello stadio precedente, quando il veicolo è in assenza di peso perché non sta accelerando e quindi il propellente non è spinto uniformemente verso il basso dall’accelerazione e galleggia in modo instabile, formando bolle che possono alterare l’alimentazione dei motori dello stadio successivo. Il Saturn V aggirava il problema accendendo dei piccoli motori di assestamento (ullage motor, insensibili all’assenza di peso perché a propellente solido) che impartivano un’accelerazione allo stadio prima di accendere i motori principali, ma questa soluzione aggiunge peso e complessità.

Gli svantaggi dell’hot staging, per contro, sono:

• Un aumento della massa dello stadio sottostante, che deve essere in grado di sopportare l’impatto e il calore dello scarico dei motori dello stadio soprastante senza disintegrarsi (come si vede nel filmato qui sotto, che mostra l’interstadio di un Titan II che viene distrutto dal getto del motore del secondo stadio).
• Una finestra temporale molto stretta: se lo stadio sottostante non si sgancia esattamente nell’istante previsto, il getto dei motori dello stadio soprastante rimane confinato e può generare onde di pressione violente che ritornano verso lo stadio stesso, col rischio di danneggiarlo. Con un cold staging i margini di tempo sono meno restrittivi.
• Penalità aerodinamiche, a causa della struttura aperta e discontinua dell’anello interstadio, che introduce turbolenze, e a causa dell’interazione fra l’anello di gas prodotto dallo scarico laterale dei motori e il flusso d’aria supersonico o ipersonico intorno al veicolo, con effetti sulla sicurezza della separazione e sulla stabilità in volo (Aerospace Science and Technology, 2020).
• Complessità di sincronizzazione, perché il primo stadio spesso ha una spinta molto superiore a quella del secondo e quindi è necessario spegnere i motori del primo nell’istante giusto, altrimenti ci sarà una collisione fra primo e secondo stadio subito dopo la separazione. Al momento della separazione, infatti, il primo stadio ha un rapporto peso/spinta molto vantaggioso, visto che è quasi vuoto (ha quasi esaurito il propellente), mentre il secondo ha un rapporto peso/spinta scarso perché è ancora pieno di propellente. Il risultato è che se non si spengono per tempo i motori del primo stadio, il secondo accende i propri motori, inizia la separazione, ma la sua velocità è inferiore a quella del primo stadio e quindi viene “tamponato” dal primo.

Hot-staging isn’t new, but I wouldn’t have thought to use it with a reusable vehicle! Here’s a video from a Titan II showing hot-staging of the upper stage which destroys the vented interstage at separation. Hot-staging is advantageous because it avoids the need for ullage… https://t.co/lEjuUyNywm pic.twitter.com/WUDGTyfREP

— Everyday Astronaut (@Erdayastronaut) August 18, 2023

Per introdurre questa tecnica di hot staging, il veicolo di SpaceX verrà dotato di un anello interstadio aperto, montato sulla sommità del Super Heavy, che verrà inoltre dotata di uno scudo termico per evitare che i motori della Starship causino danni al lanciatore, visto che è pensato per essere recuperato e riutilizzato. Secondo quanto dice Musk, durante il hot staging resteranno accesi i tre motori Raptor centrali del Super Heavy, regolati al 50% di spinta.

Ci sono moltissimi altri cambiamenti, come è ormai normale nel processo di iterazione rapidissima al quale SpaceX si è votata, ma questi sono quelli più significativi.

Non è ancora stata annunciata la data del prossimo volo di prova. Nel frattempo, l’artista Tony Bela ha provato a illustrare un hot staging di un veicolo Super Heavy/Starship. Comunque andranno le cose, lo spettacolo è assicurato.

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2023/08/19 10:10. SpaceX ha pubblicato alcune immagini del nuovo anello interstadio e dello scudo termico sommitale del primo stadio della Starship.