Nella notte tra giovedì 12 e venerdì 13 Novembre, SpaceX ha effettuato il terzo static fire del prototipo di Starship SN8. Obbiettivo del test era verificare il corretto funzionamento dei tre motori Raptor montati sotto il veicolo, in previsione di un volo fino a 15 kilometri d’altezza previsto per la prossima settimana. Purtroppo, il test non ha soddisfatto le aspettative. In questo articolo indagheremo i motivi e le conseguenze di questo incidente per l’intero progetto Starship. Prima di procedere, però, vanno fatte due premesse.
I problemi riscontrati la scorsa notte non hanno nulla a che vedere con il lancio della capsula Dragon verso la ISS previsto per la notte tra domenica e lunedì. Il lancio dei quattro astronauti vedrà impegnato un vettore Falcon 9, costruito dalla stessa SpaceX ma ampiamente testato nel corso di dieci anni. Anche il sistema propulsivo è totalmente diverso, in quanto il Falcon si affida ai motori Merlin, anch’essi con una lunga storia di successi alle spalle. Nel seguente video, registrato subito dopo il test, si vedono chiaramente delle colate di materiale fuso alla base di Starship SN8.
I fatti
I fatti certi riguardo il test di ieri notte non sono molti. Le uniche fonti affidabili sono al momento i tweet di Elon Musk ed i video registrati dal sito statunitense NasaSpaceFlight, che stanotte ha seguito in diretta il test.
Terminato lo static fire, mentre la nuvola di gas di scarico lentamente si diradava, qualcosa ha iniziato a “colare” letteralmente dalla parte inferiore del veicolo. Identificate inizialmente come scintille, si è poi scoperto che probabilmente il problema era molto più grave.
We lost vehicle pneumatics. Reason unknown at present. Liquid oxygen header tank pressure is rising. Hopefully triggers burst disk to relieve pressure, otherwise it’s going to pop the cork.
— Elon Musk (@elonmusk) November 13, 2020
Interrogato su Twitter in merito, Elon Musk ha poco dopo informato gli utenti che un malfunzionamento ancora ignoto aveva causato la perdita del sistema pneumatico di Starship SN8. Problema non da poco, dato che il sistema pneumatico permette di azionare, tra le altre cose, le valvole di sfogo dei serbatoi di propellente.
Particolare preoccupazione sembrava essere rivolta al serbatoio supplementare dell’ossigeno posto in cima al razzo (uno dei due cosiddetti header tank).Era appena stato utilizzato per alimentare i Raptor e, con le valvole fuori uso, la pressione all’interno stava iniziando a salire rapidamente.
L’ultima speranza era un dispositivo di backup noto come “burst disk”, un disco di metallo progettato per rompersi ad un determinato livello di pressione. Esso avrebbe quindi permesso lo sfiato del serbatoio anche con il sistema pneumatico fuori uso. Quanto appena descritto è effettivamente avvenuto meno di un’ora dopo. Rientrato un problema, però, se ne è presentato subito un altro.
Rivedendo le telemetrie, i tecnici di SpaceX hanno probabilmente scoperto che la causa primaria era da ricercarsi in uno dei motori. Con ogni probabilità, uno di essi si era appena parzialmente “sciolto”.
Quanto visto alla base del veicolo, dunque, non erano semplici scintille, ma una vera e propria colata di metallo fuso proveniente da uno dei Raptor.
Maybe melted an engine preburner or fuel hot gas manifold. Whatever it is caused pneumatics loss. We need to design out this problem.
— Elon Musk (@elonmusk) November 13, 2020
Le supposizioni
Da qui in poi, purtroppo, le certezze terminano e siamo costretti ad entrare nel campo delle supposizioni. Il Raptor è un motore estremamente complesso, che produce spinta bruciando metano ed ossigeno liquidi e al quale abbiamo dedicato un approfondimento qualche mese fa.
Musk ha paventato l’ipotesi che il problema potesse risiedere in uno dei precombustori oppure nel collettore di scarico di uno di essi. Per capire a quali componenti si riferisse il fondatore di SpaceX, occorre uno schema del motore.
Come si evince dalla figura, il Raptor si affida a due precombustori incaricati di bruciare metano ed ossigeno. I gas caldi in uscita da essi vengono convogliati nella camera di combustione principale (o secondaria), da appositi collettori per poi essere espansi nell’ugello e generare la spinta. Questo è, in estrema sintesi, il funzionamento di un Raptor.
I componenti possibilmente incriminati, riprendendo le ipotesi di Musk, possono essere due:
- uno dei due preburner
- il collettore “ricco” in combustibile (metano)
Nel caso si trattasse della prima ipotesi, è ragionevole supporre che il preburner interessato dal danno sia quello dell’ossigeno. Questo perché, tra i due precombustori, è quello sottoposto alle temperature maggiori in quanto opera con una miscela ricca di ossigeno. Come rivelato dallo stesso Musk quasi due anni fa, quello è probabilmente il punto più caldo dell’intero motore.
SpaceX metallurgy team developed SX500 superalloy for 12000 psi, hot oxygen-rich gas. It was hard. Almost any metal turns into a flare in those conditions.
— Elon Musk (@elonmusk) December 23, 2018
Cosa succederà ora?
La risposta a questa domanda è molto difficile, soprattutto in mancanza di ulteriori dettagli. Possiamo però immaginare cosa succederebbe se venisse appurato che il problema risieda nella parte “calda” del motore, nella zona dei precombustori e dunque a monte della camera di combustione primaria.
Una certezza è che adesso i tecnici disinstalleranno il Raptor danneggiato da SN8 e lo spediranno a McGregor, località texana dove opera il team propulsivo di SpaceX. Qui vengono e testati sia i Merlin che i Raptor dopo essere stati costruiti a Hawthorne.
Una volta là, lo smonteranno alla ricerca del problema e, una volta appurato quale esso sia, si dovrà procedere alla sua risoluzione. Tutto lascia pensare che si dovrà modificare (nella migliore delle ipotesi, con modifiche leggere) il design dei motori. Per quanto leggere si possano però rivelare queste modifiche, è ragionevole assumere che dovranno passare per cicli ripetuti di simulazioni. Trovata una soluzione, SpaceX dovrà costruire almeno un prototipo di Raptor e testarlo per confermare l’effettiva risoluzione del problema. Una volta appurato ciò, si dovrebbe procedere alla costruzione di almeno altri tre Raptor, con successivo test sugli stand di McGregor e spedizione a Boca Chica. Una volta qui, sarebbe sufficiente rimontarli sul prototipo e riprendere i test da dove sono stati interrotti.
Questa è chiaramente un’analisi ipotetica dei passaggi che, probabilmente, si renderanno necessari. Se ciò fosse confermato, ed al momento sembra l’ipotesi più credibile, è pressoché impossibile una ripresa dei test prima dell’inizio del 2021. Nonostante SpaceX ci abbia abituati a ritmi quasi sovrumani, sono molti gli elementi che portano a pensare che stavolta sia necessario uno stop un po’ più prolungato.
I Raptor montati su Starship SN8 sono i numeri 30-32-36, ma siamo a conoscenza del fatto che il mese scorso ad Hawthorne hanno completato il numero 50. Se le modifiche al design dovessero essere pesanti, probabilmente i Raptor già costruiti verranno cannibalizzati per ricavarne parti di ricambio.
Non è nemmeno chiaro cosa succederà adesso che a Boca Chica i test su SN8 sono fermi. E’ possibile che SpaceX acceleri sulla costruzione del primo prototipo del booster SuperHeavy, del quale sono già state avvistate molte parti. Potrebbero addirittura completarlo ed effettuare i primi test di pressurizzazione, ma questa è pura speculazione. Al momento non vi sono evidenze che possano confermarlo. Non appena avremo informazioni aggiornate, non mancheremo di comunicarvele.
AGGIORNAMENTO
Ieri è stato smontato il Raptor SN32 dal prototipo SN8 di Starship.
In un tweet, Musk ha minimizzato il problema, lasciando intendere che esso verrà presto sostituito ed i test potranno proseguire, senza ulteriori ritardi.
Questo collide un po’ con le prime informazioni rilasciate dallo stesso Musk, nelle quali si menzionava un problema piuttosto grave ad uno dei motori, con potenziali impatti anche su quelli già costruiti.
Se davvero i test potranno riprendere non appena SN8 avrà nuovamente tre motori, nella migliore delle ipotesi si potrebbe pensare ad un volo fino a 15 km entro la fine del mese.
AGGIORNAMENTO
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