BurdissoMauro.com : Tesi di Laurea

1.2 Voli suborbitali e razzi sonda

Attualmente c’è un notevole interesse ad effettuare esperimenti in microgravità che permettono di osservare, per esempio, processi fisici, chimici e biologici che sulla terra sono notevolmente influenzati dalla forza di gravità. I metodi utilizzati per ottenere queste condizioni possono essere classificati in base alla durata delle condizioni di “microgravità”. Essi sono :

· le missioni orbitali che possono avere anche la durata di anni ed avere un equipaggio umano come le stazioni spaziali o lo space shuttle.
· i razzi sonda che raggiungono i venti minuti di tempo di microgravità
· i voli parabolici con i quali la durata si riduce ad una ventina di secondi
· le torri o le piattaforme per esperimenti della durata di qualche secondo

Si possono ottenere condizioni di microgravità non solo con missioni orbitali ma anche con voli suborbitali. In effetti si realizza una situazione di caduta libera che non necessariamente deve avere una direzione verticale come avviene nel caso della torre (drop towers. Ci può essere anche una componente orizzontale ed un razzo che vola in assenza di propulsione e con una minima influenza delle forze aerodinamiche può essere considerato in condizioni di microgravità.
Nel nostro lavoro studieremo i razzi sonda (sounding rockets) che rappresentano un aiuto importantissimo per la ricerca scientifica. Questi razzi vengono utilizzati per trasportare ad una certa quota strumenti scientifici (carico utile) e permettono di effettuare esperimenti in condizioni di microgravità. L’obiettivo dei razzi sonda è quello di rimanere per un tempo compreso tra i 5 ed i 20 minuti in condizioni di microgravità. In genere non presentano sistemi di controllo della traiettoria e questo li rende poco costosi e relativamente semplici. Dopo lo spegnimento inoltre non sono più presenti vibrazioni e le condizioni del volo suborbitale sono ideali per effettuare esperimenti e studi in condizioni di microgravità. I razzi sonda si rivelano inoltre ideali per esplorare le zone della bassa ionosfera e della mesosfera che si trovano sotto i 120 km di altitudine e sono troppo basse per essere esaminate con i satelliti.
Con le missioni in microgravità si possono testare nuovi strumenti e sviluppare tecnologie utili in campo spaziale oltre ad avere accesso rapidamente a quote elevate che permettono osservazioni astronomiche non influenzate dalla atmosfera terrestre. Il basso costo delle missioni suborbitali con i razzi sonda è anche dovuto al fatto che il carico utile non è mai troppo grande, non è necessario trasportarlo in orbita ed inoltre nella maggior parte dei casi può essere recuperato. Organizzare una missione in microgravità richiede molto meno tempo rispetto ad una missione orbitale e tutte queste caratteristiche rendono i razzi sonda indispensabili per la ricerca scientifica come dimostra il NASA Sounding Rocket Program(19) che da oltre 40 anni contribuisce ai programmi spaziali. Importanti programmi europei che hanno utilizzato i razzi sonda sono : il Texus, il Minitexus, il Maser ed il Maxus(24) .

Figura 1.1 Eventi principali per una missione di un razzo sonda (24) La Fig. 1.1 riporta i principali eventi per una missione del programma Texus. In questo caso si tratta di una razzo a due stadi e lo spegnimento del secondo stadio avviene a 45 s ed a 49 km di quota. A 100 km di quota, raggiunti dopo 74 s dalla partenza inizia la fase di microgravità. Il razzo raggiunge l’apogeo ( 250 km ) dopo 252 secondi e termina il periodo di microgravità dopo 435 secondi. In seguito si attiva il sistema di recupero con l’apertura del paracadute. Questo razzo è in grado di fornire un tempo di microgravità superiore ai 350 secondi con un carico utile di 360 kg. Si tratta di un razzo a propellenti solidi. Anche i razzi sonda utilizzati dalla NASA (18) sono a propellenti solidi ed in genere sono pluristadio derivati da razzi di applicazione militare. Uno dei razzi più utilizzati (sia in versione monostadio che come stadio finale di alcuni pluristadio) è il Black Brant V che offre delle prestazioni intermedie. Siamo in grado di riportare le prestazioni di questo razzo sonda.

Figura 1.2 Prestazioni dichiarate dalla Nasa per il Black Brant V (7)

Dalla figura si nota che il Black Brant V è in grado di trasportare un carico utile di 136.02 kg (300 libbre) al di sopra di 300 km con un angolo di lancio sull’orizzonte Φ=85°. Al variare dell’angolo di lancio e del carico utile variano le prestazioni del razzo. E’ importante sottolineare che la prestazione più importante per un sounding rocket è il tempo trascorso in microgravità ma in genere si parla della altitudine di apogeo raggiunta. Questo perchè si pensa che raggiungere una quota di apogeo più alta corrisponda a rimanere per un tempo maggiore oltre i 100 km. Nella realtà si è visto che per una fissata quota di apogeo esiste un piccolo intervallo di valori possibili per il tempo di microgravità e quindi ottimizzare il tempo di microgravità non equivale ad ottimizzare la altitudine di apogeo (18),(3). Nel nostro lavoro assumeremo come prestazione da ottimizzare il tempo di microgravità e come razzo di riferimento utilizzeremo proprio il Back Brant V. Molti programmi hanno coinvolto razzi sonda che garantiscono un tempo di microgravità fino ad 800 secondi ed una altitudine di apogeo che supera i 700 km con un carico utile maggiore di 700 kg ma in generale per le missioni in microgravità è sufficiente un tempo che superi i 300 secondi. I razzi sonda utilizzati, fino ad oggi, sono stati esclusivamente alimentati con propellenti solidi. Il nostro obiettivo è quello di considerare le prestazioni che potrebbe avere un razzo alimentato con diverse combinazioni di propellenti ibridi. L’utilizzo dei propellenti ibridi porterebbe notevoli vantaggi di cui parleremo.