Alle 14:03 italiane del 18 novembre il nuovo prototipo di Starship, il razzo più potente mai costruito, si è sollevato ruggendo dalla sua rampa di lancio in Texas per il suo secondo volo, IFT-2. Un test che ha avuto (quasi) pieno successo, e che attendevamo da ben sette mesi! SpaceX ha infatti usato questo tempo per riprogettare moltissimi componenti e sistemi di questo razzo sperimentale. Il decollo non ha deluso le aspettative, così la sua conclusione del test!
Nelle foto prima del lancio, Starship svettava con i suoi 120 metri di acciaio scintillante, sopra al suo pad di lancio e di fianco alla mostruosa torre-gru di assemblaggio (affettuosamente chiamata “Mechazilla”). L’intera struttura raggiunge i 150 metri di altezza, è come un grattacielo di 50 piani. Praticamente alta quasi come la Mole Antonelliana!
Questo articolo in aggiornamento vi racconta tutto quello che c’è da sapere su questo test, prima, durante e dopo il suo svolgimento!
Che cos’è Starship?
Questa magnifica infografica realizzata da @BingoBoca e pubblicata su Twitter mostra la scala di Starship, e soprattutto come funziona.
Starship è un razzo a due stadi, entrambi progettati per essere totalmente riutilizzabili. È fondamentalmente un grande cilindro di acciaio, con un’altezza complessiva di 120-122 metri, e un diametro di 9 metri. Entrambi gli stadi sono spinti da motori Raptor V2, alimentati a ossigeno liquido (LOX, ossidante) e metano liquido (CH4, combustibile).
Il primo stadio
Detto “Booster” o “Superheavy”, occupa 70-72 metri della lunghezza complessiva. È spinto da 33 motori Raptor V2, 13 dei quali in grado di orientare la spinta (“gimbal”) e 20 dei quali invece fissati alla struttura. Lo stadio ha una massa di 250 tonnellate, e a pieno carico contiene 3400 tonnellate di propellente. All’accensione i suoi motori sviluppano una spinta di 74,5 meganewton, pari al peso di una massa di 7500 tonnellate, due volte un Saturno V.
L’idea fondamentale è la stessa dietro al primo stadio del Falcon 9: il Superheavy si occupa di spingere la Starship attraverso gli strati dell’atmosfera più densi e accelerarla fino a una velocità di circa 3 km/s (10.000 km/h). Dopodiché si separa, e usando alcuni dei 33 Raptor fa marcia indietro e torna verso alla base di lancio, atterrando (quasi) esattamente come un Falcon 9. Il booster di questo lancio era il numero 9, seriale B9.
Il secondo stadio
Detto “Ship” o “Starship”, occupa i restanti 50 metri del vettore. È spinta da tre motori Raptor V2 come quelli del booster (chiamati “sea level” perché ottimizzati per operare in atmosfera) e tre motori Raptor Vacuum (ottimizzati per operare nel vuoto dello spazio). Ha una massa di 125 tonnellate, e a pieno carico contiene 1200 tonnellate di propellente. Nella Ship c’è anche la baia di carico, in grado (progettualmente) di portare in orbita fino a 150 tonnellate di materiale, una mostruosità persino rispetto al più potete razzo mai lanciato (Saturno V, capacità di carico di 118 tonnellate).
Contrariamente al Falcon 9 e a tutti gli altri razzi, Starship sarà interamente riutilizzabile. Questo secondo stadio è infatti dotato di piastrelle termiche e superfici aerodinamiche per eseguire il rientro atmosferico e planare fino a Terra. La Ship di questo lancio era la numero 24, seriale S24.
Che cosa è cambiato?
SpaceX ha un modo di fare diverso dalle altre compagnie aerospaziali. Il razzo al suo primo lancio non è un prodotto perfettamente confezionato e testato, come SLS, ma un prototipo da stressare in ogni modo al fine di strizzarci fuori ogni goccia di informazione possibile. Per esempio, si può fare quello che non si può con le simulazioni computerizzate, in una situazione di mondo reale.
E il primo lancio di Starship, avvenuto ad aprile, è stato esattamente questo: un test in cui, senza grande sorpresa, il razzo è esploso in mille coriandoli. Non senza dare però a SpaceX una montagna quasi letterale di informazioni!
In questi sette mesi SpaceX ha pazientemente atteso la conclusione delle indagini relative al “fallimento” del primo lancio, ma non è stata con le mani in mano. Le modifiche al programma e al design di Starship sono migliaia, ma quattro spiccano su tutte!
1) Fire Suppression System
Gran parte dei problemi del primo test sono stati causati da un incendio incontrollato nella baia dei motori, che ha finito per pregiudicarne il funzionamento corretto e ha causato lo spegnimento anticipato di svariati Raptor. Ora Starship è dotata di un sistema automatico di controllo ed estinzione delle fiamme MOLTO più nerboruto.
2) Electric Vector Control
Il direzionamento della spinta (gimbal) dei Raptor nel primo lancio di Starship avveniva con degli attuatori idraulici. Questo si è rivelato deleterio a causa proprio dell’incendio nella baia motori, che ha attaccato e distrutto il controllo del gimbal (l’olio idraulico è infiammabile). Ora i 13 Raptor mobili del Superheavy sono direzionati tramite motori elettrici indipendenti, e quindi il vector control è molto più robusto e resistente a situazioni anomale.
3) Hot Staging
Un altro problema del primo lancio è stata la separazione tra i due stadi, non avvenuta correttamente. Il Booster è stato dotato di un anello aggiuntivo (in foto), tutto bucherellato, perché la Ship accenderà i motori appena PRIMA di separarsi da esso! È una strategia di vecchia data in aerospazio, ma è la prima volta per SpaceX. In tal modo la Ship dovrebbe allontanarsi dal Booster senza drammi. Accendere i motori mentre si è in spinta aiuta a evitare il problema dello sciabordio (sloshing) del propellente nei serbatoi durante l’intervallo a zero g generato da uno spegnimento completo della propulsione.
4) Flight Termination System IFT-2
E infine c’è il sistema di emergenza per l’autodistruzione del razzo, che ad aprile non ha funzionato subito (con grande sgomento degli ingegneri). La nuova versione garantisce la distruzione completa di Starship in caso questa non stia facendo quello che deve. Nel caso in cui la Ship e il Booster non affondino come previsto, dopo lo splashdown, il FTS può essere utilizzato per spedire entrambi sul fondo dell’oceano. Durante il test del 18 novembre gli FTS di entrambi i veicoli sono entrati in funzione correttamente quando necessario.
Il Water Deluge System IFT-2
Uno dei problemi più grandi che si è manifestato ad aprile è stata la resistenza del pad di lancio al lancio stesso. La violenza allucinante dei 33 motori Raptor V2 accesi a piena potenza per oltre 8 secondi direttamente contro la superficie del pad ne ha causato la disintegrazione.
I gas di scarico si sono infiltrati tra le microcrepe della lastra di cemento rinforzato, sollevandolo come se fosse una sfoglia, scaraventando i detriti a centinaia di km orari e centinaia di metri di distanza, per poi scavare una voragine profonda decine di metri nel substrato sabbioso. Non è chiaro se i detriti prodotti siano i responsabili del malfunzionamento dei Raptor o degli incendi (è improbabile), tuttavia la quasi completa distruzione del pad è un problema.
Per ovviare, SpaceX ha installato un “water deluge system”, un sistema che allaga completamente il pad con milioni di litri d’acqua in pochi secondi. In tal modo l’energia (termica e acustica) dello scarico dei motori viene assorbita dall’acqua, che si nebulizza ed evapora. Il WDS era già previsto e in costruzione, e non è stato costruito in risposta alle conseguenze del primo lancio. SpaceX sperava (dati dati ottenuti nei test precedenti) che la lastra di cemento armato potesse reggere ad almeno un lancio, e quindi si è mossa con il test prima che il WDS fosse pronto. Putroppo non è stato così (per grande sorpresa degli ingegneri).
È stato proprio il WDS il principale oggetto dell’indagine di compatibilità ambientale da parte della Fish and Wildlife Service. Alla fine si è determinato che la grande quantità di acqua dolce liberata dal WDS non causerà problemi alla laguna salmastra (non più di un temporale estivo), ed è stato determinato un limite di 30 utilizzi massimi all’anno. Più che sufficienti per gli scopi di SpaceX. Durante il test del 18 novembre il WDS ha funzionato alla perfezione, proteggendo il pad.
I motori di Starship IFT-2
Ci sono tante cose che stupiscono di questo megarazzo, ma i motori sono una su tutte. Qui vedete la base del booster, o Superheavy: 33 motori Raptor V2, alimentati a ossigeno e metano liquidi superraffreddati.
Ognuna di quelle bocche da fuoco, larga 1,3 metri, è in grado di produrre una spinta pari al peso di 230 tonnellate! Cioè un totale di 7600 tonnellate, più del doppio delle 3450 di un Saturno V. Altri sei Raptor sono montati sotto al secondo stadio, la Ship vera e propria, tre ottimizzati per il volo atmosferico (Raptor Sea Level) e tre per il volo nel vuoto (Raptor Vacuum).
Una potenza inedita
Il Raptor è un motore veramente rivoluzionario. Innanzitutto, è un motore a “ciclo a precombustione a flusso completo” (full-flow staged combustion cycle). In pratica tutti i motori dei razzi hanno bisogno di comprimere ad alta pressione ossidante e combustibile nella camera di combustione, per aumentare l’efficienza. Ciò viene svolto dalle turbopompe, che però hanno bisogno di essere alimentate. In un motore come il Raptor la piccola porzione di ossidante e di combustibile utilizzata per fare girare le turbopompe non viene espulsa, ma riutilizzata nella camera di combustione vera e propria, chiudendo il ciclo e aumentando l’efficienza.
Quando nel 2016 il primo articolo sperimentale venne acceso al sito di test di McGregor, il Raptor divenne il primo motore con tale ciclo a essere mai acceso! È stato anche il primo motore alimentato a metano (Methane-Liquid Oxygen, MethaLOx) a dimostrare l’utilizzo di tale combustibile, e da allora le migliorie apportate sono state migliaia. Il motore è ora più compatto, più potente, più economico, semplificato, e soprattutto lo si produce in massa! SpaceX li sforna al ritmo di 5 a settimana, e sta già lavorando alla versione 3, ancora più potente (270 tonnellate di spinta ciascuno).
In tutto questo SpaceX è stata però battuta dai cinesi, perché a luglio di quest’anno hanno messo in orbita il primo carico con un razzo MethaLOx, Zhuque-2. Poco male, perché tale razzo non usa motori a flusso completo, e soprattutto non è riutilizzabile. Che invece è l’obiettivo fondamentale di Starship!
Il piano del volo del test IFT-2
Il profilo di volo previsto per Starship IFT-2 (Integrated Flight Test 2) era quasi identico a quello del test di aprile. La finestra di lancio di 21 minuti si è aperta alle 14:00 italiane, e il volo avrebbe seguito le seguenti tappe
00:00:02 – DECOLLO!
00:00:52 – Max Q – Massima pressione aerodinamica sul veicolo
00:02:39 – MECO – Dopo essere salito rapidamente di velocità e di quota, il Booster spegne gran parte dei propri motori (Most Engines Cut Off), e si prepara alla separazione della Ship
00:02:41 – Hot staging – La Ship accende i motori, mentre il Booster sta ancora spingendo, si distacca e si allontana.
00:02:53 – 00:03:47 – Boostback Burn – Il Booster utilizza i suoi motori Raptor esattamente come un Falcon 9, inverte la propria rotta e torna in direzione della rampa di lancio.
00:06:30-48 – Landing Burn – Il Booster accende un’ultima volta i propri motori per rallentare e adagiarsi gentilmente sulla superficie dell’oceano, al largo della base di lancio. Per questa missione non è ancora previsto un rientro vero e proprio alla base.
00:08:33 – SECO – Ship Engine Cut Off, Starship è ora su una traiettoria suborbitale che la porterà fino a circa 250 km di quota, per poi rientrare in atmosfera sopra alle Hawaii.
01:17:21 – Entry – Inizia il rientro atmosferico della Ship
01:30:00 (indicativo) – Splashdown – La Ship colpisce l’oceano a qualche centinaio di km orari, e si inabissa a 100 km dalle coste di Kauai.
Starship è esplosa, lunga vita a Starship!
Come nel caso del test dello scorso 20 aprile, gli obiettivi del secondo volo di Starship erano decollare, separare con successo i due stadi, far ritornare indietro il Booster e far ammarare la Ship, in questo ordine di importanza. Anche questo test si è concluso con la distruzione di entrambi i veicoli, tuttavia con alcune differenze molto importanti.
Starship B9-S25 si è correttamente sollevata da terra alle 14:03 italiane, liberando la rampa di lancio nei tempi previsti. A una prima osservazione sommaria del sito di lancio non sembra siano stati causati danni significativi, nulla comunque in confronto a quanto accaduto ad aprile.
Il razzo si è sollevato con precisione e controllo, mostrando che tutti e 33 i motori Raptor si erano accesi correttamente. Per tutta la durata dei primi 3 minuti di volo hanno funzionato alla perfezione, spegnendosi in sequenza dopo i 2 minuti e 42 secondi.
A 2 minuti e 50 secondi è avvenuta la separazione “a caldo” (hot staging) della Ship dal Booster, una manovra delicatissima, ed eseguita alla perfezione, quasi ipnotica. A questo punto il test è già di grande successo, e ha surclassato quello dello scorso aprile.
Dopo la separazione dei due stadi però le note si fanno più dolenti. Subito dopo la separazione il Booster 9 inizia la manovra di ribaltamento e ritorno alla base, esattamente come un Falcon 9. Tuttavia la riaccensione dei motori è sporadica e intermittente, e dopo pochi secondi interviene il FTS (l’autodistruzione). Forse un problema generato dallo sciabordio eccessivo dei propellenti nei serbatoi, che ha soffocato i motori.
La Ship 25 prosegue incolume e indifferente nella sua traiettoria, mantenendo i motori accesi fino a 8 minuti e 7 secondi. Poi le cose si fanno confuse: i motori si spengono e si vede una grande nube lontana, stando a SpaceX anche in questo caso si è attivato il FTS, ma le cause sono ancora sconosciute.
Nei prossimi giorni SpaceX analizzerà lo sfacelo di dati raccolti da questo test e ci dirà cosa è effettivamente accaduto, ma già così è stato un successo incredibile!
Alcune FAQ!
Perché non in orbita? Nel caso qualcosa andasse storto non rimarremmo con una Ship, o i suoi detriti, bloccati in orbita bassa per settimane, in grado di rientrare incontrollatamente in testa alle persone. È come se fosse un test orbitale: basterebbero alcuni secondi di accensione del motore in più per ottenere un’orbita stabile.
Perché la Ship non manovra per essere recuperata? Al momento i test delle manovre della Ship non sono la priorità di SpaceX, che le ha già eseguite e dimostrate con SN15 (ricordate?).
Perché SpaceX non recupera i due stadi? Nel caso in cui Booster e Ship sopravvivano all’ammaraggio saranno affondati in modo controllato, usando il Flight Termination System o qualche altro metodo più brusco. I due oggetti sono dei prototipi, non serve recuperarli e i tecnici avranno tutte le informazioni necessarie dalla semplice telemetria. E no, non inquinano, non più delle migliaia e migliaia di razzi non riutilizzabili che buttiamo nell’oceano da 70 anni.
A quando il prossimo test? Al momento è impossibile a dirsi. Booster 10 e Ship 26 sono già praticamente pronti a prendere il loro post sul pad di lancio. Prima che ciò sia possibile però bisognerà attendere i risultati dell’indagine interna di SpaceX, di quella esterna della FAA e l’applicazione delle dovute modifiche e migliorie. Se chiedete a me, non scommetterei prima di febbraio 2024!
[Update 14/03/2024: come preventivato, il terzo test è proprio avvenuto a metà marzo!]
