Il primo lancio nello spazio di Starship si avvicina e uno dei più grandi interrogativi è se il pad orbitale resisterà o meno alla potenza di 33 motori Raptor alla massima (o quasi) spinta.

Una prima impressione su quanto i motori del Booster possano avere un impatto sulla struttura del pad e le varie componenti, la si è ottenuta con lo static fire a 31 motori (previsto inizialmente con 33, ma uno è stato spento intenzionalmente prima del test, l’altro non si è avviato) avvenuto qualche mese fa. Le conseguenze su tutta la struttura dell’OLP (Orbital Launch Platform), seppur i motori abbiano operato al 50% della spinta possibile, sono state contenute.

Il 17 aprile quindi, seguiremo insieme a uno degli eventi spaziali più importanti degli ultimi anni. Starship sarà il mezzo con cui l’essere umano farà ritorno sulla Luna, per puntare poi a Marte. Seguiremo insieme questo momento storico in una live speciale, sui canali YouTube e Facebook di Astrospace.it. Per tutti gli aggiornamenti vi aspettiamo sul canale Telegram. 

Flame deflector e flame trench

Durante il decollo, il calore, le vibrazioni e la pressione generati dai motori del primo stadio, sarebbero capaci di distruggere sia le infrastrutture di terra che il razzo stesso. Per risolvere il problema del calore e della pressione dovuti ai gas in uscita dagli ugelli di un razzo, vengono solitamente usati i deflettori di fiamma (flame deflector), posti subito sotto il razzo in partenza.

Il deflettore, di solito a forma concava, reindirizza le fiamme lontano dalla rampa di lancio e dal razzo verso i flame trench. Questi sono dei canali lunghi e profondi che si estendono ben oltre la lunghezza del pad di lancio. I gas caldi corrono quindi orizzontalmente fin quando, a una distanza di sicurezza, fuoriescono da uscite da cui espandersi e disperdersi.

Un sistema del genere è quasi indispensabile per una piattaforma di lancio orbitale, quindi la domanda sorge spontanea: perché a Starbase non è stato costruito un flame deflector?

Musk inizialmente disse che non ce ne fosse bisogno, per poi cambiare idea e affermare che la mancanza di un flame deflector avrebbe potuto rappresentare un grave errore nella progettazione del pad di lancio a Starbase.

Il motivo principale per cui non si è costruito un flame deflector risiede nella morfologia del territorio di Boca Chica. Starbase è situata in una zona paludosa vicino all’oceano, per cui scavare per costruire dei canali dove deviare i gas di scarico di Starship avrebbe comportato la costruzione di una o più dighe per evitare l’efflusso dell’acqua verso il pad.

Di conseguenza, si sarebbe dovuta creare una collina artificiale dove poi posizionare il pad e sotto la quale scavare gli appositi flame trench, come in molti altri pad. Un lavoro troppo lungo per i piani di SpaceX a Starbase. Costruire un sistema del genere non è una cosa scontata e sempre fattibile: farlo ora significherebbe dover ridisegnare e ricostruire da zero l’intera zona di lancio di Starbase. Osservare come si comporterà il pad durante il primo volo orbitale sarà quindi una priorità per SpaceX, sperando che i danni non siano troppi.

Water Deluge System

Un altro sistema per proteggere un pad di lancio è quello di usare un water deluge, cioè una vera e propria inondazione del pad con grandi portate d’acqua. Lo scopo principale è quello ridurre i danni causati dal calore delle fiamme del razzo e sopprimere quanto più possibile il rumore, che può raggiungere livelli di oltre 200 decibel (per avere un confronto, il rumore di un aereo al decollo raggiunge livelli tra i 120 e i 150 decibel).

I getti d’acqua del water deluge system sono in grado di assorbire e sopprimere in gran parte l’effetto dell’onda d’urto. Il sistema di soppressione del suono può arrivare a ridurre il livello del rumore da 200 decibel fino ai più gestibili e meno dannosi 142 decibel. Inoltre, il water deluge system serve anche a ridurre il calore e a prevenire incendi al pad di lancio.

I motori di un razzo generano temperature fino a 2800°C, in grado di fondere gran parte dei materiali, danneggiando il pad. Le rampe di lancio fanno quindi affidamento al grande volume di acqua per ridurre il calore e proteggere le strutture.

A Starbase è già presente un sistema più piccolo, chiamato Firex, dedicato alla gestione di eventuali incendi sotto il pad, con le tubazioni che percorrono tutto l’OLM. Firex sfrutta una miscela di acqua e azoto gassoso, in questo modo si privano le fiamme dell’ossigeno che le alimenta. Inoltre, si evita anche l’accumulo di ossigeno e metano, evitando di creare un mix esplosivo nella zona del pad facilmente innescabile. Firex si è già visto all’opera prima di molti static fire. Presto, però, arriverà il vero e proprio water deluge system, alla quale gli operai a Starbase hanno lavorato in preparazione del primo lancio nello spazio.

La struttura principale, che è già stata installata al pad 39A qualche mese fa, è costituita da un grande esagono centrale interrato che circonda l’OLM. Nei 6 lati della struttura vi sono i tubi che risalgono in superficie puntando verso le zone di fuoriuscita dell’acqua. In questo caso, quindi, la zona di lancio verrebbe inondata dal basso con l’acqua, che verrà spruzzata attraverso delle piattaforme posizionate attorno al pad.

In un water deluge system l’acqua verrebbe prelevata da una cisterna posta in cima a una torre. Il sistema deve fornire una grande quantità di acqua in un tempo piuttosto breve. In questo modo si sfrutta la forza di gravità e la pressione idrostatica per trasferire l’acqua velocemente verso il water deluge.

SpaceX potrebbe sfruttare le due cisterne d’acqua presenti già nella tank farm, ma per le quantità richieste dal water deluge system queste potrebbero non essere sufficienti. È probabile che l’azienda di Musk abbia, nei suoi piani futuri, intenzione di costruire una torre per l’acqua vicino al pad di lancio. Momentaneamente, una soluzione per poter utilizzare le attuali cisterne presenti potrebbe essere quella di iniettare continuamente all’interno azoto per pressurizzare le tank e “spingere” l’acqua con la pressione necessaria.

In ogni caso, ricordiamo che Starbase è un sito di test, ed è in continua evoluzione. È normale che alcune cose siano state pensate e costruite in un modo per poi essere cambiate in corso d’opera o totalmente ricostruite. Una volta appreso però come far funzionare al meglio tutto, l’azienda di Musk sta riportando tutte le varie migliorie progettistiche e costruttive dello Stage Zero, l’insieme delle varie infrastrutture di terra per poter permettere un lancio di Starship, al pad 39A del Kennedy Space Center.

Le protezioni fisiche

È probabile che per il primo lancio il water deluge system non sarà ancora completato. SpaceX ha comunque dovuto pensare a come proteggere meglio le varie infrastrutture del pad e del sito di lancio. Nelle ultime settimane, dopo lo static fire test del Booster 7, l’OLM (Orbital Launch Mount) è stato ricoperto completamente con protezioni in acciaio per evitare danni alle componenti interne del pad.

Il calore generato dai motori Raptor potrebbe però danneggiare irreparabilmente queste piastre. SpaceX ha quindi in programma di aggiungere un sistema di raffreddamento ad acqua per proteggere lo scudo del pad di lancio. Infatti, è stato lasciato dello spazio interno tra le piastre in cui far passare delle tubature per l’acqua.

In questo modo, come affermato dallo stesso Musk, si potrebbe ottenere la completa riutilizzabilità delle piastre d’acciaio. Allo stesso modo, anche i pilastri del pad sono stati ricoperti da piastre simili. Per il futuro, sono previste delle protezioni anche per tutta la torre di lancio, che quindi verrà interamente rivestita da lastre metalliche.

Per quanto riguarda i sistemi di rifornimento che sono strettamente collegati al Booster e alla Starship, vi sono due meccanismi differenti. Il QD (Quick Disconnect) del Booster, subito dopo il distacco dal primo stadio, viene protetto da uno scudo metallico azionato da un sistema meccanico.

Un movimento simile a quello della testa di una tartaruga che si protegge all’interno del proprio guscio. Allo stesso modo, il QD si ritrae e viene protetto da una piastra metallica. Nel seguente video è mostrata una separazione di test del QD del booster, effettuata qualche mese fa a Starbase.

Booster Quick Disconnect has conducted a retraction test at the speed of a T-0 QD release.https://t.co/e3xbqPnwZ5 pic.twitter.com/TG7RQ7Y6L3

— Chris Bergin – NSF (@NASASpaceflight) February 17, 2023

Diversamente, il QDA (Quick Disconnect Arm) della Ship, essendo un vero e proprio braccio, non ha bisogno di una protezione vera e propria, dal momento che quando avviene il distacco ha abbastanza tempo per allontanarsi con un movimento rotatorio attorno alla torre di lancio.

Non sono solo le strutture del pad a dover essere protette, ma anche le varie infrastrutture che lo circondano, come la tank farm e le varie tubazioni. I detriti scagliati in aria dai motori potrebbero andare a danneggiare anche i serbatoi più lontani, come capitato duranti alcuni static fire o alcune esplosioni improvvise.

Per evitare ciò, SpaceX ha costruito un argine artificiale, a scudo della farm sia dai detriti che dai gas di scarico. Ultimamente è stato rialzato con dei prolungamenti che dovrebbero deviare la nube oltre la tank farm, evitando che questa venga attraversata con il rischio di danni. Inoltre, è stato anche costruito un gradino in cemento ai piedi dell’argine per facilitare la deviazione del flusso della nube di polvere a destra o a sinistra della tank farm.

Persino i motori stessi del Booster sono protetti dalla loro stessa potenza e dai possibili detriti. Sono installate delle protezioni in acciaio tra un motore e l’altro per evitare danni alle pompe di ogni motore e incidenti come quello avvenuto a SN8 durante uno static fire. In quell’occasione, un detrito di martyte, il materiale che ricopre il cemento sotto al pad, ha tagliato un cavo di connessione dell’avionica, causando il malfunzionamento del motore.

Il problema del cemento

L’incidente a SN8 e i successivi static fire a più motori dei vari prototipi di Booster hanno evidenziato un altro problema non indifferente: il cemento sotto al pad non resiste alla grande spinta dei Raptor. Durante un test a 14 motori del Booster 7, subito dopo l’accensione, l’intera area di test è stata tempestata da una pioggia di detriti di cemento caldo, scagliati anche a decine di metri di distanza dal pad.

Per risolvere questo problema SpaceX ha iniziato a fare affidamento ad uno speciale tipo di cemento chiamato “Fondag RS”. Questo è un tipo di materiale utilizzato per applicazioni industriali che richiedono particolari resistenze a calore, pressione e agenti chimici, tutto ciò che un razzo spaziale produce. In particolare, il Fondag RS è capace di resistere a temperature fino a 1100°C. Queste caratteristiche permettono a SpaceX di non dover quindi sostituire il rivestimento in cemento sotto il pad dopo ogni static fire, dal momento che il Fondag supporta le sollecitazioni causate dalla spinta dei motori Raptor 2.