La tecnica dell'Apollo

Pubblicato il da Riccardo





Il Programma Apollo fu ideato negli ultimi anni dell’amministrazione Eisenhower, come seguito del Mercury. Fu chiamato Apollo, dal nome del dio greco della musica e della luce, da Abe Silverstein , capo della Saturn Vehicle Evaluation Committee (nota in seguito come Silverstein Committee) della NASA. “Battezzai la navetta come fosse stato mio figlio”, dirà più tardi. Ma trovare i fondi era tutt’altro che semplice, vista la tirchieria di Eisenhower verso i programmi spaziali, la cui utilità pratica gli sfuggiva completamente.

Nel Novembre 1960, John Fitztgerald Kennedy fu eletto presidente dopo una drammatica (e controversa, almeno per quanto riguarda l’effettiva elezione) campagna elettorale, durante la quale aveva promesso che gli Stati Uniti  avrebbero ottenuto in breve la superiorità nei confronti dell’URSS, sia nel campo missilistico militare che in quello spaziale vero e proprio (“noi non saremo i primi ma, i primi se, i primi e, ma i primi e basta“). Nonostante questa retorica, per i primi tempi JFK guardò con un certo distacco al programma spaziale, ignaro dei problemi tecnici e spaventato dai costi.


Poi, il 12 Aprile 1961, i sovietici spedirono in orbita Iuri Gagarin, forse il primo uomo a volare nello spazio, di sicuro il primo a farvi ritorno sano e salvo. Lo shock scosse l’America, ma l’amministrazione appariva ancora cauta nell’impegnarsi per la corsa dello spazio. Secondo alcuni fu il vice presidente, LBJ, a spingere per un impegno americano, secondo altri JFK si convinse che era necessario rispondere alla sfida sovietica in tempi brevi. Qualunque sia la ragione, il 25 Maggio successivo, Kennedy, davanti al Congresso, impegnò l’America con queste parole: First, I believe that this nation should commit itself to achieving the goal, before this decade is out, of landing a man on the Moon and returning him safely to the Earth. No single space project in this period will be more impressive to mankind, or more important in the long-range exploration of space; and none will be so difficult or expensive to accomplish”.

Perfino la NASA dubitava di poter raggiungere le ambiziose mete prefissate dal Presidente, solo venti giorni prima, l’astronauta Alan Shepard aveva compiuto un volo suborbitale di quindici minuti sulla Freedom 7. Raggiungerle, quelle mete, costò uno sforzo gigantesco e una spesa di 25.4 miliardi di dollari ai valori del 1969, circa 150 attuali: fu il massimo sforzo di una nazione in tempo di pace. All’apice della corsa alla Luna, il programma Apollo dava lavoro a quasi mezzo milione di persone, e coinvolgeva, ad ogni livello, non meno di 20 mila fra industrie e centri di ricerca. 


Su queste spese apparentemente folli, vanno fatte alcune considerazioni. Il programma Apollo ha stimolato molti settori tecnologici. Il progetto dei computer 
di bordo usati negli Apollo fu infatti la forza trainante dietro le prime ricerche sui circuiti integrati. La cellula combustibile utilizzata nel programma fu di fatto la prima in assoluto. Molti  astronauti e cosmonati hanno commentato come il vedere la terra dallo spazio abbia avuto su di loro un effetto molto profondo. Una delle eredità più importanti del programma Apollo è stata quella di dare alla Terra una visione (ora comune) di pianeta fragile e piccolo, impresso nelle fotografie fatte dagli astronauti durante le missioni lunari. La più famosa di queste fotografie, è stata scattata dagli astronauti dell'Apollo 17, la cosiddetta Blue Marble (biglia blu). Queste immagini hanno inoltre motivato molte persone nella corsa alla colonizzazione dello spazio. Inoltre, si stima che le ricadute tecnologiche abbiano prodotto almeno 30 000 oggetti di uso comune e che per ogni dollaro speso dalla NASA ne siano stati prodotti tre dalle ricadute. Infine, la quasi totalità degli appalti venne vinta da imprese statunitensi e quindi il denaro speso dal governo rimase all'interno dell'economia statunitense. Dal punto di vista economico il programma fu un successo

 

La NASA si mise rapidamente all’opera e studiò quattro possibili modi di raggiungere il nostro satellite:

  • DA, Direct Ascent, ascesa diretta: Prevedeva un lancio diretto verso la Luna. Secondo questo progetto l'intera navicella sarebbe atterrata sulla Luna e poi sarebbe ripartita verso la Terra. Per le masse in discussione, risultò essere fuori della portata dei vettori dell’epoca. Il solo in grado di portare a termine questa msisione, il Nova, richiedeva tempi e investimenti non prevedibili.
  • EOR, Earth Orbit Rendezvous, Rendez-vous in orbita terrestre: avrebbe richiesto il lancio di due vettori Saturn V, uno contenente la navicella, l'altro destinato interamente al propellente. La navicella sarebbe entrata in orbita e poi rifornita del propellente che le avrebbe permesso di raggiungere la Luna e tornare indietro. Anche in questo caso sarebbe atterrata l'intera navicella.

 

·     LSR, Lunar Surface Rendezvous: due vettori lanciati dalla terra, con il primo, automatico, a trasportare sulla superficie lunare il carburante che sarebbe trasferito più tardi sulla navetta vera e propria, atterrata con equipaggio sulla luna.

  • LOR,  Lunard Orbit Rendezvous, Rendez-vous in orbita lunare: ideato da John Houbolt, t, fu quello poi realmente adottato dalle missioni Apollo.

In quel periodo, l’opzione preferita dagli scienziati della NASA era la prima per il timore di un disastro nel corso del rendezvous che non era mai stato tentato nemmeno in orbita terrestre. Alla fine prevalse l’LOR per la sensibile riduzione dei pesi ottenibile con quel profilo. La validità di questo profilo, fu rivelata nella sua completezza durante l’incidente Apollo 13: senza la presenza di un sistema di supporto secondario (quello dell’LM), gli astronauti sarebbero morti.

La decisione a favore dell’LOR, determinò anche il design basico della capsula Apollo, che sarebbe risultata formata di due principali sezioni: Command/Servide Module (CSM), abitato dall’equipaggio durante la missione,  Lunard Module (LM, in un primo tempo Lunar Excursion Module o LEM), che sarebbe sceso e quindi ritornato dalla superficie lunare.

Il disegno che conosciamo della navetta Apollo fu raggiunto in tempi relativamente brevi, e già nel 1965, gli scienziati della NASA avevano ben chiaro in mente come procedere.



 John Kennedy parla al Congresso americano, il 25 Maggio 1961.




Varie proposte di navetta per il programma Apollo.


L'Apollo proposto dalla Grumman.



Altro progetto lunare degli anni Sessanta. In questo caso si prevedeva la discesa sulla superficie del satellite dell'intero sistema.

Apollo Spacecraft



Sotto questo nome, si intende il complesso costituito dal modulo di comando e servizio della navetta Apollo propriamente detta, e il modulo di discesa ed esplorazione lunare. Ognuna di queste componenti, si suddivideva a sua volta in altre due. Vediamole, cominciando dal modulo di comando e servizio.

Command module CM, costruito dalla North American Aviation, era formato dal modulo di comando, detto anche capsula di rientro, che alloggiava l’equipaggio durante tutta la missione, e un modulo di servizio che forniva propulsione, energia e ospitava tutto ciò che serviva per la missione.

Costruito in sandwich di alluminio a nido d’ape, con una massa al suolo di 12807 libbre, pari a 5809 chili, il modulo di comando era un cono tronco misurante 10 piedi e 7 pollici (3,22 metri) in altezza, e 12 piedi e 10 pollici (3,91 metri) di diametro alla base. Il compartimento anteriore conteneva due propulsori di assetto, il tunnel di aggancio e i componenti necessari al rientro. Il compartimento pressurizzato interno ospitava i sedili dell'equipaggio, contenitori vari per l'equipaggiamento, oltre a comandi, controlli e display dei sistemi di governo. L'ultima sezione, il compartimento posteriore, conteneva 10 propulsori di assetto e i relativi serbatoi di propellente, serbatoi di acqua e i cavi di collegamento del CSM.
























 














































Earth Landing System

 

I vari componenti dell’ELS erano alloggiati attorno il tunnel prodiero di collegamento, e consistevano di tre paracadute principali, tre paracadute pilota e due frenanti.










Reaction control system

Consisteva in 12 ugelli da 93 libbre (44 kg) di spinta ciascuno, utilizzati per le manovre e la correzione di assetto; alimentati da biossido di azoto e idrazina che venivano messi in pressione dall’elio contenuto in un serbatoio sferico della capienza di una libbra.

 

Boccaporti

Erano due: quello frontale, alla sommità della capsula, metteva in comunicazione con il modulo lunare. Aveva un diametro di 30 pollici (76,2 centimetri) e pesava 80 libbre (36,287 chili). L’altro, l’Unified Crew Hatch (UCH) misurava 29 pollici in altezza (73,7 centimetri) e 34 (86,4 centimetri) in larghezza. Pesava 225 libbre (102 chili) e veniva usato per le EVAs.

 



Earth Landing System










 

Sistemazione interna della cabina

La navetta Apollo era il solo compartimento abitabile del cosiddetto bus. Aveva un volume interno di 210 piedi cubi, pari a 5,95 m³, e ospitava i pannelli di controllo, i sedili dell’equipaggio, i sistemi di guida e di navigazione, oltre ai compartimenti di stivaggio del cibo e dell’equipaggiamento. Costruita in struttura a doppia parete consistente in un guscio interno pressurizzato e in uno scudo termico esterno separato da travi strutturali, con una massa totale di 5806 chili. L’isolamento termico era garantito da una fibra di quarzo microcristallino, mentre lo scudo termico vero e proprio era formato da tre distinte sezioni, ed era fatto di acciaio a nido d’ape saldato, al quale era attaccato un rivestimento asportabile di resina epossidica, di spessore variabile a seconda della distribuzione aerodinamica del calore prevista sul veicolo.

Il guscio pressurizzato interno, fatto di alluminio a nido d’ape saldato tra fogli di alluminio, era la struttura portante del carico. La cabina vera e propria era pressurizzata con ossigeno al 100%, a 0,35 kg/cm3. L’abitacolo era dominato dal pannello di controllo, misurante sette piedi in larghezza e tre in altezza (2,13x0,91 metri), diviso a sua volta in tre parti, ciascuna destinata a un membro diverso dell’equipaggio. Il pannello del comandante, a sinistra, comprendeva gli indicatori di velocità, altitudine e assetto, oltre ai comandi di controllo volo e agli attuatori dei razzi di manovra. Il pannello del pilota, al centro, era quasi completamente dominato dal computer di guida e comprendeva anche le varie spie di allarme (Christams Tree, nel linguaggio dei piloti americani), i controlli di propulsione, livello carburante e i sistemi di pressurizzazione e climatizzazione della capsula. Il pannello a disposizione del pilota del modulo lunare sulla destra, comprendeva gli indicatori delle fuel cells, oltre al controllo dei vari sistemi e sottosistemi elettrici.

Oltre a questi, erano presenti altri pannelli di controllo di dimensioni inferiori, che comprendevano i sistemi radio e le valvole di siurezza. In tutto, i pannelli comprendevano 24 strumenti principali, 566 interruttori, 40 manometri e 71 spie.

Il modulo di comando aveva cinque finestrini: quelli laterali, quadrati, misuravano 13 pollici (33 centimetri) di lato, altri due, triangolari (8x13 pollici, 203 per 330 millimetri) erano usati per le manovre di aggancio, mentre un quinto, di 9 pollici (229 millimetri) di diametro, era ricavato direttamente sopra il posto del pilota e veniva impiegato solo per la manovra di aggancio all’LM dopo il ritorno dalla Luna.




 

 Pannello del comandante.








Modulo di servizio

Il Service Module, SM, era una struttura cilindrica non pressurizzata, misurante 24 piedi e 7 pollici (7,49 metri) di lunghezza, e dodici piedi e 10 pollici (3,91 metri) in diametro. Suddiviso all’interno in una sezione centrale cilindrica contenente il Service Propulsion System, SPS, coi suoi due serbatoi di elio pressurizzante, e sei settori diametrali nei quali erano stivati i serbatoi di carburante per l’SPS, sistemi di sopravvivenza, aria e acqua per l’equipaggio. Trasportava inoltre un’antenna in banda S per le comunicazioni col controllo di missione e sei scambiatori di calore Nelle ultime tre missioni Apollo, 15, 16 e 17, furono aggiunti diversi equipaggiamenti scientifici, fra i quali anche un piccolo satellite da collocare in orbita lunare.

L’SPS consisteva in un motore Aerojet AJ10-137 alimentato con ossido di azoto come comburente e idrazina Aerozine-50 come combustibile: erogava 21919 libbre (9942 chili) per 585 secondi di spinta totale e veniva usato per l’inserimento nell’orbita lunare, la sua partenza e per le correzioni di rotta durante il viaggio da e per la Terra. I 16 jet di manovra, Reaction Control Motors o RCMs, installati in quattro gruppi a metà circa della lunghezza dell’SM, separati fra loro di 90 gradi, fornivano ognuno 110 libbre (49,9 chili) di spinta, ed erano alimentati con ossido di azoto e idrazina MMH. Ogni gruppo, misurava 8 piedi per 3 (2,44x0,91 metri) e aveva i propri serbatoi di comburente, combustibile ed elio di pressurizzazione.

Vediamo i sei settori diametrali: il primo solitamente veniva usato come cassa di zavorra per mantenere corretto il centro di gravità dell’SM. Nelle missioni Apollo 15, 16 e 17, come abbiamo visto, questo settore avrebbe trasportato l’SIM, Scientific Instrument Module che conteneva fra le altre cose camere panoramiche e per il mappaggio della superficie lunare, spettrometri di vario genere e un satellite da immettere in orbita lunare. Il suo uso obbligava a eseguire una EVA in orbita lunare per recuperare le pellicole impressionate durante la missione.

Nei settori due e tre erano contenuti altrettanti serbatoi di ossido di azoto: lunghi entrambi dodici piedi e dieci pollici (3,91 metri), con un diametro di 51 pollici (1,3 metri) il primo e di 45 (1,14 metri) il secondo, contenevano rispettivamente 14000  e 11283 libbre (6350/5118 chili) di ossidante.

Il settore quattro alloggiava i sottosistemi elettrici e le fuel cells, alimentate da un serbatoio da 290 kg di ossigeno liquido,e due da 25 kg di idrogeno liquido. Ogni fuel cell, pesante 112 chili, forniva energia elettrica e acqua potabile all’equipaggio. Un secondo serbatoio di ossigeno liquido, sempre della capacità di 290 chili, era destinato al sistema ambientale della capsula Apollo.

I settori cinque e sei contenevano altrettanti serbatoi di carburante, 3950 chili il primo, 3201 il secondo.

Completava l’equipaggiamento dell’SM l’antenna ad alto guadagno in banda S, che veniva dispiegata dopo l’entrata in orbita dell’Apollo ed era composta da quattro riflettori di 31 pollici (878 mm) di diametro e un quinto, centrale, da 11 pollici (279 mm), oltre a due luci di segnalazione: la prima serviva a individuare l’alloggiamento delle pellicole da recuperare prima di fare ritorno a terra, la seconda, visibile a 100 chilometri di distanza, era destinata alle manovre di rendezvuos in orbita lunare.













Apollo Lunar Module

 

Costruito dalla Grumman Aircraft Engineering, in base a un contratto da 350 milioni di dollari del Settembre 1962, e noto in origine come LEM (Lunar Excursion Module), poi LM (Lunar Module), fu per lungo tempo piuttosto impopolare a causa dei ritardi nello sviluppo che rischiarono di compromettere l’intero programma Apollo. Il primo prototipo fu lanciato il 22 Gennaio 1968 con un vettore  Saturn IB allo scopo di testare i motori in orbita, motori che erano stati la causa dei ritardi del programma anche per  le continue rettifiche delle specifiche del mezzo, che era partito per essere una piccola base lunare dotata di docce, cuccette e altro, per ridursi alla fine al disegno che tutti conosciamo, all’interno del quale gli astronauti non avevano nemmeno un sedile, se non il coperchio del motore di risalita da usare a turno e per il resto dovevano rimanere in piedi tutto il tempo della missione.

Il successivo prototipo fu lanciato il 3 Marzo 1969 con l’Apollo 9 per essere testato in orbita terrestre, e due mesi più tardi, il 18 Maggio 1969, fu collaudato in orbita lunare da Apollo 10.

Nell’Aprile 1970, salvò sicuramente la vita dell’equipaggio di Apollo 13, fornendo energie e ossigeno a tre astronauti per 90 ore, contro le 45 ore previste di funzionamento per DUE. I moduli lunari delle ultime tre missioni Apollo, 15, 16 e 17, furono modificati per incrementare il carico e permettere una maggiore permanenza sulla superficie del nostro satellite, fino a 72 ore: il carico più interessante portato sulla Luna in queste missioni, fu sicuramente il Lunar Roving Vehicle, assicurato esternamente al quadrante 1 del modulo di discesa del modello modificato del modulo, chiamato “J”.

L’ALN aveva una massa totale di 33651 libbre (15264 chili), la maggior parte (22782 libbre, pari a 10334 chili) appartenenti allo stadio inferiore. Quest’ultimo trasportava, oltre al carrello di atterraggio (originariamente previsto a tre zampe, quindi evolutosi a quattro), un radar altimetrico, il motore di discesa e il carburante necessario all’atterraggio oltre alle batterie all’idrossido di litio (scartate le fuel cells previste dal disegno originale) che fornivano energia ai sistemi e sottosistemi. Numerosi compartimenti stivavano il materiale necessario all’attività di esplorazione sulla superficie lunare, a partire dall’ Apollo Lunar Surface Experiment Packages, ALSEP delle prime missioni, al Mobile Equipment Cart (una sorta di carrettino spinto a mano e usato solo nella missione Apollo 14) al Lunar Rover delle ultime tre missioni. Erano presenti, inoltre, un’antenna pieghevole in Banda S (missioni Apollo 11-14), cineprese, attrezzi da lavoro, acqua e ossigeno per l’equipaggio.

Lo stadio di ascesa conteneva la cabina dell’equipaggio, il sistema di controllo ambientale, reaction control system, radar e luci per il rendezvous, sistemi elettronici vari, il motore di salita col relativo carburante, e una scorta di ossigeno e acqua di raffreddamento sufficiente a raggiungere l’orbita lunare e il successivo rendezvous con la navetta di comando, oltre, ovviamente, ai campioni lunari prelevati, che raggiunsero le 238 libbre (108 chili) con la missione Apollo 17.

 L’ALN aveva una massa totale di 33651 libbre (15264 chili), la maggior parte (22782 libbre, pari a 10334 chili) appartenenti allo stadio inferiore.




Uno dei primi progetti di modulo lunare.

 


Progetti di evoluzione del modulo lunare.

 


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L’estrazione del carico scientifico dal modulo lunare.







Launch Escape System

 

L’LES era, sostanzialmente, una torre posizionata sopra Modulo di Comando, e serviva per allontanarlo, con l’equipaggio, dal resto del razzo durante il lancio, nel caso si fosse verificata una situazione di emergenza, emergenza che poteva essere, ad esempio, un incendio sulla rampa di lancio, l’esplosione del Saturn o la perdita di controllo del medesimo nella traiettoria di ascesa.

Lungo in totale 10,20 metri, con un diametro di 66 centimetri e una massa totale di 4170 chili, il Launch Escape System era progettato per entrare in funzione in modo automatico entro i primi 100 secondi dal distacco delle torri ombelicali, oppure dal comandante dell’Apollo in qualunque momento e fino alla quota di 295000 piedi (89916 metri), circa 30 secondi dopo l’accensione del secondo stadio S-II, quando la torre veniva abbandonata


In caso di attivazione, si sarebbe acceso un motore a combustibile solido
che avrebbe allontanato il solo Modulo di Comando dal veicolo di lancio in un lasso di tempo molto breve. Il Launch Escape System sarebbe poi stato espulso e il Modulo di Comando sarebbe potuto atterrare grazie ai medesimi paracadute impiegati per il rientro dalla missione. Nel caso che l’emergenza si fosse verificata prima del decollo, e cioè con il razzo ancora fermo sulla rampa da lancio, il Launch Escape System sarebbe stato comunque in grado di portare il Modulo di Comando (con l’equipaggio) ad una altezza sufficiente affinché potesse atterrare tranquillamente fuori dalla zona di pericolo.

Il Launch Escape System era costituito da 6 elementi principali per i quali userò la nomenclatura della tavola originale della NASA:

  • Nose Cone and Q-Ball—Nel cono di punta erano contenuti alcuni sensori della pressione aerodinamica (Q) che servivano a determinare i parametri di lancio.
  •  Canard Assembly and Pitch Motor— Funzionavano assieme per dirigere il modulo di comando lontano e il più possibile a lato del vettore in caso di emergenza.
  •  Tower Jettison Motor—Un piccolo razzo a propellente solido provvedeva  all’espulsione del Launch Escape System quando non serviva più, e solitamente dopo l’accensione del secondo stadio.
  • Launch Escape Motor—Il motore principale del sistema, aveva quattro ugelli
  • Launch Escape Tower—L’intero sistema come veniva montato sulla capsula Apollo
  • Boost Protective Cover—serviva a proteggere gli oblò del modulo di comando non solo dalla vampa del razzo che espelleva la Torre una volta esaurita la sua funzione, ma anche dal calore dell’attrito durante la salita negli strati più densi dell’atmosfera -


Spacecraft Lunar Module Adapter (SLA)

 

 

Lo Spacecraft Lunar Module Adapter, SLA, era una struttura conica di alluminio montata sulla parte superiore dello stadio S-IVB con lo scopo di proteggere il modulo lunare durante il lancio e fino all’immissione in orbita. Era composto da quattro pannelli fissi di alluminio lunghi ciascuno sette piedi (2,13 metri) montati direttamente sullo Instrument Unit alla sommità del terzo stadio, collegati a loro volta a quattro pannelli mobili lunghi 21 piedi (6,40 metri) che si aprivano come i petali di un fiore. Questi ultimi, erano fabbricati in struttura di alluminio a nido d’ape dello spessore di 1,7 pollici (43 millimetri) coperti da uno strato di linoleum dello spessore di 0,03 pollici (0,762 millimetri) e dipinti di bianco per minimizzare il riscaldamento durante il lancio e la salita negli strati più densi dell’atmosfera.

La separazione del modulo di comando avveniva attraverso un sistema di cariche esplosive ridondanti per evitare il rischio che la fallita apertura dell’SLA portasse all’aborto della missione. Successivamente, un sistema idraulico apriva l’adattatore come i petali di un fiore, ma, contrariamente a quanto si crede, i pannelli non rimanevano connessi, per evitare che un errore di manovra durante la manovra di aggancio al modulo lunare portasse a una collisione. Una volta raggiunto un angolo di apertura di 45 gradi, alcuni piccoli razzi fissati alle pareti interne dei pannelli si accendevano, spingendoli lontano abbastanza da permettere la manovra del modulo di comando in sicurezza.

Il modulo lunare era assicurato al pavimento dell’SLA tramite quattro bulloni esplosivi che venivano fatti esplodere appena eseguito il docking con il modulo di comando; un quinto artifizio esplosivo staccava il cordone ombelicale che collegava l’LM allo Instrument Unit. Solo a quel punto, il bus lunare era pronto a lasciare l’orbita terrestre.







 

 

 

 

 

 

 










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