Starship: così Elon Musk fa impallidire il SATURN V

de Paolo Broccolino

NOTA AL VOLO: l’autore di questo articolo superfigo, Paolo Broccolino, è anche l’autore di due romanzi di fantascienza in perfetto stile rollingsteel: li trovate uno QUI e l’altro QUI, dai dai dai, sosteneteci!

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SESSANTASEI TURBOPOMPE.

Nel primo stadio.

Basta, potrei finire qui l’articolo e sarebbe comunque (giustamente) destinato alla leggenda Rollingsteel.

Oggi però sono ispirato e voglio provare ad addentrarmi nei meandri di uno dei temi più complessi che abbiamo mai trattato su queste pagine. Per coloro che ancora non lo hanno fatto, la lettura dell’articolo sul SATURN V è caldamente consigliata prima di continuare con questo articolo, anche se non indispensabile. I concetti di base del motore a razzo si danno per noti, in particolare uno: la TURBOPOMPA.

PREMESSA: chi scrive ci mette della buona volontà e fa del suo meglio, ma non è un ingegnere aerospaziale (ahimè), come disse qualcuno più autorevole di me: se sbaglierò mi correggerete. Questo è un articolo di introduzione a Starship e sì, si potevano scrivere 10 articoli più in dettaglio sugli argomenti correlati, magari più avanti faremo degli approfondimenti magari su DI BRUTTO, siamo aperti a suggerimenti.

Starship è il nome del nuovo vettore di Space X e viene comunemente usato sia per definire l’intero stack, sia per il solo secondo stadio, l’astronave vera e propria. A Elon Musk piace semplificare, a volte troppo.

Nell’immagine sotto, quello in acciaio è il boost “Falcon Super Heavy”, un mostro di potenza di cui parleremo più avanti, quello con lo scudo termico nero che sembra fatto con una stampante 3d calibrata male è il “lander” chiamato Starship che incorpora in sé il secondo stadio.

Starship è un complesso in divenire, Elon procede più veloce di quanto gli youtubers e i siti di divulgazione scientifica possano reggere (non vi dico il casino). Procede per dove?

Semplice: per Marte. Elon è stato chiarissimo. Il suo obiettivo è colonizzare il pianeta rosso e iniziare a farlo mentre lui è ancora in vita. Questo significa fondamentalmente due cose: produzione di massa e fretta, maledettissima fretta.

Ripeto: “colonizzare”, non “raggiungere”.

Iniziamo proprio da qui: moltissimi dei video e delle foto della Starship sono fatte di notte, vi siete mai chiesti perché? Banalmente, se così si può dire, a Space X lavorano letteralmente giorno e notte, su turni da 24 ore. Come ha detto lui stesso in un’intervista: “Se non operiamo in costante clima di emergenza non completeremo i lavori nell’arco della mia vita”. Considerando che dovrebbero restargli parecchi anni, è chiaro che abbiamo a che fare con un uomo che guarda lontano, tremendamente lontano.

Sempre per lo stesso motivo, il capo ingegnere di Space X (perché sì, è lui in persona) ha scelto di scartare tecnologie sperimentali come strutture in compositi o ugelli a geometria variabile. Questo è il motivo per cui usa leghe di acciaio, materiale semplice da lavorare e resistente al calore. Non serve reinventare la ruota.

Quando per la prima volta una decina di anni fa ha buttato lì che cercava astronauti per un viaggio di sola andata su Marte, non vi nascondo che ho pensato che fosse fuori come un balcone, ma la verità è che quest’uomo ha dimostrato di essere un genio. Space X ha da subito puntato sulla riusabilità integrale del suo vettore di lancio tritando la concorrenza sul costo $/kg per l’immissione in Low Earth Orbit (LEO).

In un attimo la parziale riusabilità dello Space Shuttle è roba da Medioevo Spaziale, l’efficacia del Falcon 9 è imbarazzante: il booster/primo stadio che compone la quasi totalità del mezzo riatterra con precisione millimetrica, a volte nello stesso posto, a volte su una piattaforma in mezzo al mare. Tornare indietro costa carburante e in base alla configurazione di lancio si opta per una soluzione piuttosto che per l’altra.

Il top si è raggiunto con il Falcon Heavy, un discreto mostro con tre booster in parallelo (ognuno con capacità di rientro) che Elon ha testato spedendo in orbita la sua Tesla spider. Come si può non amare quest’uomo?

-Il terzo booster doveva atterrare sulla piattaforma, ma è andato distrutto-

-Eh no, non è un fotomontaggio-

Chiudiamo questa parentesi e torniamo a Starship. Come abbiamo visto Elon ha fretta e adotta un approccio prototipale derivato da metodologie software (tipo AGILE per chi è pratico). Ha iniziato nel 2019 spostando di 150 metri un incrocio tra un boiler e un serbatoio e ha finito per fare atterrare a maggio dell’anno scorso il prototipo SN15 dopo un volo verticale di 10 km.

Ma cosa c’è di così sorprendente in tutto questo? Beh, francamente tutto, ma in particolare tre punti:

Primo: la manovra è spettacolare. La Starship cade come un mattone fino a poche centinaia di metri da terra. La caduta (azzardato parlare di planata) è controllata con superfici mobili incernierate in alto e in basso. All’ultimo l’astronave accende un paio di Raptor, esegue un colpo di reni per raddrizzarsi, spegne un motore e scende dolcemente su un motore che la tiene in equilibrio (uno solo, perché due sarebbero troppo anche “throttati” al minimo). Per darvi un ‘idea della complessità di quello di cui parliamo considerate che per quest’operazione sono previsti due serbatoi dedicati in modo da garantire che siano abbastanza pieni da fornire sufficiente pressione in un contesto dove la forza di attrazione gravitazionale cambia di 90° in un istante. Per un tema di ripartizione dei pesi quello del LOX (ossigeno liquido) è sulla punta estrema.

-Immaginative un palazzo di 15 piani che fa questo-

Secondo: le dimensioni. L’astronave è alta 50 metri, quasi la metà di un SATURN V, vederla eseguire una manovra con questa agilità è davvero incredibile. Mai come in questo caso si può dire “le immagini non rendono l’idea, va vista dal vivo”.

Terzo: la stessa manovra sarà fatta su Marte, perché questo è un mezzo nato e concepito per andare sul pianeta Rosso. Questa soluzione sarebbe piaciuta a Von Braun, il padre del SATURN V, che a lungo ha cercato di fare un unico missilone per andare avanti e indietro sulla Luna.

The Nazi Science That Fed the Apollo 11 Moon Landing | Time

Fatta la doverosa intro direi che ne abbiamo abbastanza per partire con la ciccia. Abbiamo detto che Starship ha due stadi, vediamoli un attimo meglio:

Super Heavy (primo stadio): Un mostro alto 70 metri che fa il lavoro sporco della messa in orbita e poi rientra in atmosfera in modo controllato. Dispone di 33 “Raptors 2” di cui i 20 sull’anello esterno fissi e gli altri centrali “gimballed” cioè orientabili. Nella fase di rientro, che avviene sulla falsa riga del Falcon 9, la direzione viene mantenuta con degli enormi palettoni a griglia. Questa particolare “trama traforata” è adatta a velocità supersoniche dove le tradizionali superfici mobili sono poco efficaci. Per la cronaca questi affari sono talmente grandi che non saranno ripiegati durante il lancio, il meccanismo sarebbe troppo ingombrante e pesante.

-In alto sul Super Heavy in secondo piano-

-Palettoni Super Heavy vs Falcon 9. Credits to Neopork, che se li merita anche solo per il nome-

-Dica 33!-

Starship (secondo stadio): È la vera meraviglia,  il “lander” che si smazza il carico pagante (una sfracca), lo porta sulla Luna o su Marte, atterra, fa quello che deve fare, riparte, fa il pieno da un’altra Starship Tanker (se necessario), rientra sulla Terra e atterra. Spero sia inutile sottolineare come un mezzo così’ versatile e riciclabile (Elon parla di “ore” tra un volo e l’altro) sia evidentemente la chiave di volta dell’esplorazione del Sistema Solare.

L’astronave è spinta da 9 motori di cui i 3 centrali ottimizzati per il volo atmosferico e 6 per quello nel vuoto.  Ovviamente quelli per il rientro sono posizionati al centro in modo da garantire un migliore controllo in fase di atterraggio (ricordiamoci che all’ultimo ne usa uno solo, meglio averlo vicino al baricentro).

-Fotomontaggio con 9 motori, attualmente sono costruite con 6-

A questo punto vi starete chiedendo, ma perché così tanti motori e perché tutti ugualmente Raptor 2? Dov’è finita la magia dei giganteschi F1 del SATURN V ad RP-1 e dei J2  ad idrogeno?

La verità è che oggi costruire dei motori così grandi non è più necessario per diverse ragioni:

  • I motori a razzo hanno un limite massimo alle dimensioni, ricordiamoci che il volume della camera di combustione cresce col cubo delle dimensioni, ma il piatto iniettori è solo bidimensionale;
  • Il risparmio di peso dato dal ridotto numero di motori è compensato dal fatto che i materiali devono essere più spessi e resistenti;
  • Molti motori significano “burning time” più corti con maggiori margini di sicurezza e maggiore tolleranza ai guasti di uno o più di essi;
  • Oggi c’è la tecnologia informatica per gestirli tutti insieme senza fare i casini del N1 sovietico;
  • Per quanto concerne la standardizzazione, i vantaggi sono ovvi: un solo motore da sviluppare, intercambiabilità etc…

Capite quindi che Elon non scherza quando dice che i Raptors devono essere costruiti in serie, lui ha in testa voli tipo ogni 30’… fatevi i vostri conti.

Credo sia giunto il momento di una piccola parentesi comparativa con il SATURN V. Se per voi il vecchio razzone bianco e nero è una leggenda insuperabile e siete deboli di cuore, consiglio di interrompere qui la lettura.

Io ve l’avevo detto eh.

Ultimo avviso.

Ok, iniziamo con l’argomento più doloroso: le dimensioni. Il SATURN V è lungo 110 metri contro i 120 della Starship.

Starship vince sul SATURN V anche come portata in LEO: 150 t. contro 140 t per il nonno a tre stadi. Con la piccola differenza che il tutto è riutilizzabile e non rientrano solo 3 metri su 110. Qualcuno ha fatto i calcoli anche nella remota ipotesi di sacrificare la riusabilità e si arriva a quota 250 t. (NdA: non è chiaro se sacrificando anche il secondo stadio).

Potenza bruta del primo stadio: ve li ricordate i 160 milioni di cavalli dei 5 F1? I 33 “Raptor 2” del Super Heavy raggiungono la raggelante spinta di 200-220 t. L’UNO, traducibili grossomodo nel doppio della potenza del SATURN  V:

TRECENTO MILIONI di CAVALLI

(per difetto)

– Un minuto di silenzio per i 23 miliardi di dollari gettati al vento dalla NASA per lo SLS. Costo unitario di lancio altri 2 –

Arrivati a questo punto è doveroso spendere anche due paroline sul “Raptor 2” che è un ferro di gran classe.

Prima di tutto, un brevissimo riepilogo del funzionamento di motore a razzo:

Prendo un comburente (LOX, ossigeno liquido) e un combustibile (RP-1, idrogeno liquido e altro), li metto in due serbatoi sotto pressione, poi accendo un pre-burner dove i due si mescolano e fanno girare una meravigliosa TURBOPOMPA. Questa risucchia il grosso di combustibile e comburente e lo spara ad alta pressione in camera di combustione.

Che succede però ai gas di scarico del pre-burner? In un motore a ciclo aperto il gas viene espulso, ma non partecipa nuovamente alla combustione. Nel caso dei mitici F1 viene sparato lungo i bordi della campana dove, come abbiamo già visto col SATURN V, aiuta a isolare e raffreddare le pareti.

– I Merlin del Falcon 9 sparano i gas direttamente da uno scarico dedicato. Il contributo alla spinta è trascurabile-

Tutto questo comporta una discreta perdita di potenza perché nei fatti lo scarico della TURBOPOMPA non contribuisce alla spinta (praticamente ho scritto l’articolo per avere la scusa di scriverlo 30 volte).

Di seguito uno schema del motore a ciclo aperto, preso da https://everydayastronaut.com/ cui vanno tutti i crediti degli schemi che seguono (personalmente lo ritengo il miglior youtuber sull’argomento e ve lo consiglio).

Open cycle rocket engine diagram flow

Notate come lo scarico del pre-burner rosso finisce perso.

Ora, se vogliamo un ciclo chiuso dobbiamo fare in modo che dopo essere bruciati nella TURBOPOMPA uno tra combustibile e comburente sia in eccesso di saturazione, in questo modo il residuo della combustione può venire reimmesso nella camera principale e contribuire alla spinta.

I primi a tentare questa strada sono i stati i Sovietici, il motore che hanno inventato è di fatto lo RD-180 ancora utilizzato e parente stretto del motore utilizzato per i booster del Buran.

Closed cycle oxygen oxidizer rich NK33 RD180

Il motore sovietico lavora in eccesso di ossidante nella TURBOPOMPA, questo perché l’eccesso di RP-1 avrebbe sostanzialmente intasato tutta la baracca tipo melma.

Intanto i colleghi americani prima gettano la spugna e poi trovano la loro strada. Per lo Shuttle stanno lavorando ad un motore che brucia idrogeno il cui rendimento è di molto superiore allo RP-1.  Il vantaggio di questo carburante è che essendo molto volatile non intasa come il cherosene le tubazioni e si può quindi avere un pre-burner che lavora in eccesso di combustibile.

Anzi, questa meraviglia che è lo RS-25 ha ben due TURBOPOMPE su assi separati (la sentite la musica che fa Alleluja! Alleuluja!) perché la differenza di densità tra LOX e idrogeno non sarebbe sostenibile da un unico asse.

Fuel rich closed cycle rs-25 diagram ssme

A Elon però questo non basta.

Lui vuole spremere fino all’ultima goccia di potenza possibile da quei motori, nessuna molecola deve scampare alla reazione chimica.

E allora lui combina le due cose. La TURBOPOMPA del LOX lavora in eccesso di comburente e quell’altra in eccesso di di combustibile. Il vantaggio di questa soluzione è che spari due gas già caldi in camera di combustione, migliorando la reazione (e altri vantaggi sulla resistenza dell’impianto).

Full Flow staged combustion cycle diagram schematic

La perfezione?

Sì cazzo (Direttore me lo passa?).

Ma Elon non è contento, lui non brucia idrogeno e non brucia RP-1, lui va a METANO, come il Fiorino.

Fiorino Metano completa la gamma “ecologica” di Fiat Professional

Vantaggi del metano?

C’è speranza di trovarlo/fabbricarlo su Marte o altri pianeti. Perché Elon guarda lontanissimo. Meno male che è uomo sto ragazzo perché altrimenti rischiavo di essere sessualmente attratto.

E allora eccolo qui il Raptor, nella prima versione e nella seconda. Noterete come il pallino di Elon per la semplificazione e la razionalizzazione abbia agito parecchio tra una versione e l’altra.

SpaceX's Raptor V2 engine compared to V1 : r/EngineeringPorn– Che sarà mai quello strano componente che pare un turbo? –

Cosa dobbiamo aspettarci dalla Starship?

Il primo volo full stacked dovrebbe avvenire entro quest’anno, anche se Elon ha dichiarato di recente che per via della situazione in Ucraina la sua attenzione sarà in parte distolta per evolvere meglio Starlink.

Poi Starship ha vinto il contratto per diventare il lander lunare, con un’orbita intorno alla Luna nel 2024 e un atterraggio nel 2025. Questa procedura sfrutterà sia la versione Moon lander sia quella tanker, perché la Starship è pensata per fare rifornimento in volo, rendendola adatta praticamente per ogni tipo di missione. Il genio.

SpaceX will develop Starship variants for Crew, Cargo, Moon, and Mars

What are the expected capabilities of the SpaceX Starship? - Quora

Il giorno che questo ferro sarà lanciato sarà scritta una pagina importante dell’esplorazione spaziale. Il SATURN V mostrerà improvvisamente tutti i suoi anni, ma conserverà comunque un posto nel nostro cuore insieme alle TURBOPOMPE da 55.000 cv dei suoi F1. In ogni caso RS sarà qui a raccontarvi tutta la storia.

Consentitemi nel finale una marketta che però credo possa farvi piacere se vi piace il tema, oltre che supportare RS.

Trovate le Starship, la raffinazione del metano su Marte e molte delle altre cose citate qui, nel mio ultimo libro “Luci dal Futuro”:

Nessuna TURBOPOMPA è andata fuori giri nella redazione di questo articolo.

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E questi li hai letti?

6 commenti

Francesco 23 Marzo 2022 - 16:49

Elon Musk è il Leonardo Da vinci di questo secolo !

Rispondi
Gianni 24 Marzo 2022 - 13:27

Articolo pazzesco! Grazie a Rollingsteel, grazie al Direttore e grazie a Paolo Broccolino!
#finchèc’èbenzinac’èsperanza

Rispondi
Piero 27 Marzo 2022 - 23:07

Complimenti per l’articolo! Ma una curiosità, perché ne conto 32 di “Raptors 2” sulla foto del Super Heavy?

Rispondi
Paolo Broccolino 28 Marzo 2022 - 9:44

Perché è un fotomontaggio. Ancora non l’hanno fatto con 33 ;)

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Luca 20 Agosto 2022 - 8:17

Articolo eccellente, ma questa non è una sorpresa. Ma adesso parliamo di cose serie: a quando il prossimo libro?

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Pasquale 29 Marzo 2022 - 23:29

Grande Paolo, cominciavo ad annoiarmi al solo pensiero che eravamo troppo pochi ad essere interessati a questo argomento.

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