Il 20 aprile 2023 SpaceX tenterà per la seconda volta di portare nello spazio un prototipo di Starship. Sarà un evento fondamentale non solo per l’azienda di Musk ma per tutto il settore spaziale. Starship potrebbe rivoluzionare il trasporto di carichi in orbita, grazie alle sue elevate prestazioni e alla sua particolare architettura di volo, e sarà usata anche per riportare l’essere umano sulla Luna, prima di puntare al suo obbiettivo finale: Marte.

Il 20 aprile seguiremo questo volo in diretta sul canale YouTube di Astrospace.it, a partire dalle 12:00. Il lancio avverrà all’interno di una finestra temporale aperta dalle 15:28 alle 16:30 italiane.

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A partire dalle 14:45 italiane è previsto l’inizio della live di SpaceX, disponibile sul canale ufficiale YouTube. 

In un precedente articolo abbiamo analizzato la struttura del Super Heavy, cioè il primo stadio di Starship, utilizzato in questa missione, chiamato Booster 7. Ora è arrivato il momento di vedere come è fatta la Starship S24.

La struttura interna di S24

Super Heavy e Starship condividono il medesimo processo produttivo. Degli anelli in acciaio inossidabile, spessi circa 4 millimetri, vengono impilati l’uno sull’altro, in modo da creare il corpo principale. La “punta” della Starship, meglio detta nose cone, è realizzata in un capannone separato dal resto della linea produttiva, e unita in seguito alla struttura sottostante contenente i serbatoi.

L’assemblaggio finale delle diverse componenti della Ship avviene poi all’interno di uno dei due alti edifici di Starbase, l’High Bay o la Mega Bay, andando così a formare il secondo stadio di Starship, alto 50 metri per 9 di diametro.

Serbatoi

La struttura principale della Ship è molto simile a quella del Super Heavy, ovvero due serbatoi separati da un’unica parete chiamata common dome, con il metano collocato in alto e l’ossigeno in basso. Anche in questo caso la scelta è dettata principalmente dalla necessità di equilibrare il baricentro della Starship. Per portare il metano liquido ai motori, è presente una grossa tubazione chiamata downcomer, che passa in mezzo al serbatoio dell’ossigeno. Questi due serbatoi occupano circa metà altezza della Starship, per lasciare posto, nella metà superiore, al carico da trasportare.

La Starship inoltre è dotata di due header tank, piccoli serbatoi sferici utilizzati per contenere ossigeno e metano necessari per il rientro. SpaceX ha deciso di collocare entrambi gli header tank in cima al nose cone, sebbene inizialmente avessero adottato una configurazione differente.

I precedenti prototipi utilizzati per i voli di test, avevano il serbatoio secondario dell’ossigeno nel nose cone, mentre quello del metano al centro del common dome, a cavallo tra i due serbatoi. Per collegare i motori agli header tank, lungo la parete interna della Starship corrono due tubazioni che dal nose cone arrivano alla base del vettore. Con la Ship 24 SpaceX collauderà per la prima volta in volo questa nuova configurazione di header tank.

A bordo della Starship sono presenti 1200 tonnellate di propellente, mentre il Super Heavy ne contiene 3400 tonnellate.

I motori Raptor

La Starship è dotata di due diverse tipologie di motori Raptor 2. Tre di questi si trovano al centro e sono i medesimi utilizzati anche dal Super Heavy. Si tratta di Raptor ottimizzati per il volo in atmosfera, utilizzati principalmente per la fase di rientro e atterraggio, ma si suppone vengano anche accesi brevemente al momento della separazione dei due stadi.

Più esternamente, si trovano anche 3 Raptor con un ugello molto più grande. Questi sono motori ottimizzati per volare nel vuoto dello spazio ed è la prima volta che SpaceX li farà volare su un prototipo. Precedentemente, questi motori chiamati gli RVac (Raptor Vacuum), sono stati testati solamente sui banchi di prova o per eseguire degli static fire test. I tre RVac sono fissi, non possono quindi direzionare la spinta, a differenza dei tre Raptor centrali.

RVac and sea level Raptor with a human for scale pic.twitter.com/xqiPQUY4Pl

— SpaceX (@SpaceX) September 25, 2020

Anche la Ship 24, così come il Booster 7, utilizza un sistema idraulico per il movimento dei motori. I prossimi prototipi invece monteranno un sistema elettromeccanico. Gli RVac sono alti 4.6 metri, con un diametro di 2.3 metri, mentre i motori per il volo atmosferico hanno un’altezza di 3.1 metri e un diametro di 1.3.

PEZ dispenser

Uno dei primi compiti di Starship sarà quello di trasportare nello spazio satelliti, e inizialmente saranno gruppi di Starlink V2. La Starship sarà l’unico mezzo a disposizione di SpaceX in grado di trasportare i suoi nuovi satelliti, larghi circa 7 metri, troppo grandi per il Falcon 9 o il Falcon Heavy.

Con la Ship 24 quindi, hanno iniziato a collaudare un sistema di carico e rilascio degli Starlink, che non verrà però utilizzato durante il primo volo di prova. L’intero sistema è stato soprannominato PEZ dispenser, in quanto ricorda l’astuccio delle famose caramelle.

Si tratta di una “piccola” fessura, alta circa due metri, grande abbastanza da far passare gli Starlink, con una paratia in grado di aprire e chiudere l’apertura. All’interno si trova un montacarichi che permette di impilare i satelliti uno sull’altro.

L’apertura per il caricamento e rilascio dei satelliti è uno degli elementi che sembrerebbe stia creando maggiori problemi a SpaceX. Andando a creare un foro per il passaggio dei satelliti infatti si va a modificare la distribuzione delle sollecitazioni sulla struttura principale, con la necessità di appositi rinforzi su determinate zone della Ship.

Le principali modifiche apportate alla Ship 24 nel corso dei mesi in preparazione al volo, riguardano proprio l’aggiunta di strutture di rinforzo attorno all’apertura. SpaceX non ha ancora mostrato il design definitivo delle future Starship utilizzate per il rilascio di altre tipologie di satelliti, in quanto il portellone è ancora un elemento in fase di studio e di rapido aggiornamento.

Struttura esterna

La struttura di Starship, particolarmente riconoscibile grazie alle quattro superfici aerodinamiche, è uno dei design più semplici e allo stesso tempo elaborati dei mezzi spaziali. Abbiamo potuto osservare il funzionamento delle quattro superfici di rientro, le ali, durante i precedenti voli di test, ma SpaceX non le ha mai collaudate durante un rientro dallo spazio.

Un ulteriore elemento distintivo della Starship è il suo scudo termico, che ricopre interamente un lato del vettore, formato da 18mila mattonelle. A differenza dello scudo dello Space Shuttle, le mattonelle usate da SpaceX hanno quasi tutte forma esagonale, in modo da poterle produrre in serie. Stanno inoltre sviluppando un sistema di aggancio meccanico delle piastrelle, evitando l’utilizzo di colle per facilitare le operazioni di sostituzione di quelle più usurate. Lo scudo termico di Starship non è di tipo ablativo, quindi non deve essere sostituito dopo ogni utilizzo.

La tipologia di aggancio sta creando non pochi problemi a SpaceX, anche se l’acciaio inossidabile sottostante dovrebbe comunque poter sopportare alte temperature, un ulteriore motivo per cui hanno scelto l’utilizzo di questo materiale.

Per le manovre nello spazio, sul lato opposto allo scudo termico, si trovano due scarichi dalla forma trapezoidale, simili a quelli presenti sul Super Heavy. Tramite l’espulsione di gas da questi scarichi, che si trovano circa a metà altezza, la Starship è in grado di orientarsi nello spazio.

A circa 5 metri di altezza, partendo dalla base, si trova l’attacco per il Quick Disconnect, ovvero il complesso sistema di tubazioni utilizzato per il rifornimento. Per le comunicazioni, e riceve quindi dati e immagini provenienti dalla Starship, sul nose cone sono presenti sei antenne dalla forma esagonale, simili alle mattonelle dello scudo termico. Il Quick Disconnect si vede molto chiaramente in questa immagine, poco sopra il venting del Super Heavy.

I test effettuati

A differenza di quanto accaduto con il Booster 7, con la Ship 24 SpaceX ha effettuato meno test. Questo è stato possibile anche grazie all’esperienza accumulata con l’utilizzo dei precedenti prototipi. I test portati a termine da questa Starship comprendono: 3 prove di pressurizzazione dei serbatoi a temperature criogeniche, 8 spin prime test e 3 avviamenti dei motori.

Anche per la Ship 24 però non sono mancati i problemi. Prima di eseguire le prove a temperature criogeniche, SpaceX collauda i serbatoi a temperatura ambiente, un primo test per verificare che tutto funzioni correttamente. A seguito del primo test eseguito il 27 maggio, una tubazione utilizzata per portare il propellente dall’header tank ai motori si è piegata. Gli operai hanno quindi dovuto rimuovere questa tubazione per sostituirla, oltre ad apportare modifiche per evitare che il problema si ripeta.

Il 10 agosto invece, durante l’esecuzione di uno static fire test, un motore è stato danneggiato. È possibile che ciò sia dovuto ai detriti sollevati dai motori, alcuni dei quali hanno impattato contro l’ugello di scarico di un Raptor.

Il profilo di volo

Il primo evento che SpaceX punta a superare con successo durante il volo è il raggiungimento del Max Q, ovvero il momento in cui il vettore subisce il maggiore stress meccanico, dovuto alle forze aerodinamiche. È previsto che questo evento avvenga dopo circa 55 secondi dal decollo.

La separazione tra Starship e Super Heavy invece avverrà dopo circa 2 minuti e 49 secondi, dopo i quali la Ship 24 procederà in solitaria. Sarà la prima volta che SpaceX collauderà i sistemi di separazione tra questi due vettori in volo.

Da questo istante in poi la Starship procederà in solitaria, aumentando la sua velocità utilizzando i suoi 6 motori Raptor. La Ship 24 dovrebbe raggiungere un’altezza massima di circa 240 km, per poi iniziare una rapida discesa sulla Terra, senza però effettuare un giro completo del nostro pianeta.

A circa 120 km di altezza, la Starship inizierà a rilasciare il carburante residuo rimasto nei serbatoi. Nel rapporto della Federal Aviation Administration si stima che, dopo questo evento, nei serbatoi rimangano circa 10 tonnellate di ossigeno e 4 tonnellate di metano, equivalenti a circa l’1% del propellente totale. Questi serviranno da zavorra per poter meglio controllare il rientro.

La Ship 24 inizierà poi la sua discesa sulla Terra, mettendo a dura prova il suo scudo termico. È possibile che in tutte le varie fasi del volo vengano perse diverse mattonelle. A differenza di quanto accaduto con l’utilizzo dei precedenti prototipi, la Starship non si riposizionerà in verticale, ma effettuerà un ammaraggio, al largo delle Hawaii, in orizzontale.