Tutte le risposte

0273. Per quale motivo uno shuttle si tuffa in picchiata invece di planare dolcemente?

espertomini

Dal momento che la velocità di uno shuttle non è di fuga ma inferiore, per quale motivo la navetta si tuffa nell’atmosfera in picchiata subendo un potente attrito e relativo riscaldamento da bruciarsi, invece di planare dolcemente sfruttando quella leggera atmosfera che si trova in quota? La navetta è dotata di ali e il tempo per scendere non le manca. Spazio poi ne ha a non finire. (Valentino) ( 2151)


sem_esperto_verdeLa domanda del nostro web-nauta racchiude in sé molte delle questioni fondamentali di meccanica del volo spaziale. Un oggetto in orbita, attorno alla Terra, è dotato di una velocità orizzontale tale da far sì che la forza centrifuga icona_glossario (diretta lontano dalla terra) bilanci la forza di attrazione gravitazionale (diretta verso la terra). Per orbite basse, ossia quelle in cui si trovano gli astronauti questa è pari a 9.7 km/s. Questa velocità è fornita, al momento del lancio, dai motori del razzo che – oltre a spingerlo verso l’alto – lo spingono orizzontalmente. Osservando i filmati del lancio dello Shuttle è possibile vedere come la navicella non sale verticalmente ma si inclina mentre prende quota. La navetta ruota anche intorno al suo asse per ridurre gli stress meccanici dovuti al viaggio supersonico nell’atmosfera.

ScienzaPerTutti_Columbia_STS-58_decolloDecollo del Columbia nel corso della missione STS-58, 18 Ottobre 1993. Foto Nasa

ScienzaPerTutti_navetta_russa_Buran

La navetta russa Buran al Cosmodromo di Baikonur. Foto M. Casolino

Per far rientrare lo Shuttle (ma lo stesso vale per le Soyuz russe) ci sono poi due possibilità: l’uso di retrorazzi o l’attrito con l’atmosfera. I retrorazzi vengono utilizzati sui corpi celesti ove non vi è atmosfera, quali ad esempio la Luna. Infatti nel corso delle missioni Apollo, il LEM (Lunar Excursion Module), dovette ridurre gradualmente la velocità fino a posarsi dolcemente al suolo con l’uso di retrorazzi. La gravità inferiore della Luna – pari a circa 1/6 di quella terrestre – rende questa tecnica possibile, richiedendo una quantità di carburante ben inferiore a quella necessaria per un eventuale atterraggio. Nel caso di rientro sulla Terra sarebbe necessario il doppio del carburante attualmente utilizzato (per accelerarla in orbita e poi per decelerarla sino all’atterraggio), con conseguente riduzione del cargo e del numero di membri dell’equipaggio. L’alternativa a questo sistema è quello di dissipare l’enorme quantità di energia cinetica icona_glossario che lo Shuttle ha in orbita per attrito con l’atmosfera. Al momento del rientro, lo Shuttle, accende i retrorazzi quel tanto che basta per scendere negli strati più alti dell’atmosfera . Per far questo è necessaria una decelerazione che faccia variare la velocità di 80m/s contro – appunto i 9.7 km/s necessari per un atterraggio completo. Appena scesi negli strati più alti dell’atmosfera, anche se la densità delle molecole dell’aria è ridotta – la velocità è tale da far rapidamente ridurre l’altezza dello Shuttle. L’attrito aumenta considerevolmente ed è solo il rinforzo di ceramica e fibre di carbonio che evita che la navetta venga fusa dal gas ionizzato creato dallo Shuttle. Il profilo di rientro è molto delicato: non è possibile scendere troppo velocemente nell’atmosfera perché altrimenti si attraverserebbero gli strati più spessi ad una velocità eccessiva, con conseguenti danni alla navetta. Lo Shuttle risente dei primi effetti aerodinamici ad una velocità di 7.6 km/s, ad un’altezza di 122 km. Avrà bisogno di molto spazio per atterrare: si trova infatti a circa 8100 km dal punto di atterraggio. Si trova nella cosiddetta fase di controllo termico, che durerà sino ad che la sua velocità non sarà pari a 5.8 km/s. La navetta rientra inclinata di un angolo di circa 40 gradi rispetto al suolo, mantenuto dai computer che controllano il sistema di propulsori di manovra. E’ in questa fase che viene dissipata una gran parte dell’enorme quantità di energia cinetica sotto forma di calore. Si passa poi nella fase di discesa ad aliante, in cui l’assetto viene mantenuto sino a che la decelerazione dello Shuttle è pari ad 1g (ossia alla forza di gravità cui siamo soggetti sulla Terra). All’inizio della fase finale o a attrito costante, la navetta si trova ad un’altezza di 2700 m dal suolo e ad una distanza di 94 km dalla pista d’atterraggio (la sua velocità è ancora 760 m/s ): lo Shuttle rallenta ancora sino a giungere sulla pista d’atterraggio. Anche con questo profilo di rientro, la temperatura sulle piastrelle ceramiche raggiunge temperature molto elevate. Nella figura è visibile il profilo di temperatura del sistema di manovra nei vari voli: si notino i valori eccessivi nel caso della missione 107, in cui il Columbia fu distrutto da una falla nella parte frontale dell’ala.

ScienzaPerTutti_Shuttle_temperature_rientroAndamento della temperatura del sistema di manovra orbitale (alto) e dell’ala sinistra (basso) dello Shuttle nel corso di varie missioni. Il tempo è misurato in secondi dall’entrata nell’atmosfera (EI). Si noti la grande differenza di temperatura tra l’ala ed il sistema orbitale. Nel caso della missione STS-107, in cui fu distrutto il Columbia, la temperatura si è rivelata più intensa delle altre missioni (i valori del Columbia a t=+500s non sono più significativi). Fonte: Columbia Accident Investigation Board.

Le ali della navetta entrano dunque in gioco solo nella parte finale del suo atterraggio, quando questa ha velocità comparabili con un aereo di linea. Vi è però una ulteriore fondamentale differenza con i più comuni Boeing: come già notato lo Shuttle non ha motori come gli aerei e si comporta come un grosso, pesante aliante con le ali molto tozze. E’ dunque necessario l’ausilio del computer unito alla bravura del comandante per riportare il suo prezioso carico a terra. Il Buran - versione sovietica dello Shuttle – poteva invece utilizzare i motori anche nella fase di atterraggio che risultava dunque più semplice. Era inoltre possibile effettuare atterraggi automatici come in effetti avvenne nel suo primo ed unico volo del 15 Novembre 1988.

Marco Casolino – Fisico


 

 
Utilizza il filtro dei tags anche digitando le lettere della parola che stai cercando

© 2002 - 2018 ScienzaPerTutti - Grafica Francesca Cuicchio Ufficio Comunicazione INFN - powered by mspweb

NOTA! Questo sito utilizza i cookie e tecnologie simili.

Se non si modificano le impostazioni del browser, l'utente accetta. Per saperne di piu'

Approvo

Informativa sulla Privacy e Cookie Policy

Ultima modifica: 28 maggio 2018

IL TITOLARE

L’INFN si articola sul territorio italiano in 20 Sezioni, che hanno sede in dipartimenti universitari e realizzano il collegamento diretto tra l'Istituto e le Università, 4 Laboratori Nazionali, con sede a Catania, Frascati, Legnaro e Gran Sasso, che ospitano grandi apparecchiature e infrastrutture messe a disposizione della comunità scientifica nazionale e internazionale e 3 Centri Nazionali dedicati, rispettivamente, alla ricerca di tecnologie digitali innovative (CNAF), all’alta formazione internazionale (GSSI) ed agli studi nel campo della fisica teorica (GGI). Il personale dell'Infn conta circa 1800 dipendenti propri e quasi 2000 dipendenti universitari coinvolti nelle attività dell'Istituto e 1300 giovani tra laureandi, borsisti e dottorandi.

L’INFN con sede legale in Frascati, Roma, via E. Fermi n. 40, Roma, email: presidenza@presid.infn.it, PEC: amm.ne.centrale@pec.infn.it in qualità di titolare tratterà i dati personali eventualmente conferiti da coloro che interagiscono con i servizi web INFN

IL RESPONSABILE DELLA PROTEZIONE DEI DATI PERSONALI NELL’INFN

Ai sensi degli artt. 37 e ss. del Regolamento UE 2016/679 relativo alla protezione delle persone fisiche con riguardo al trattamento dei dati, l’INFN con deliberazione del Consiglio Direttivo n. 14734 del 27 aprile 2018 ha designato il Responsabile per la Protezione dei Dati (RPD o DPO).

Il DPO è contattabile presso il seguente indirizzo e.mail: dpo@infn.it

Riferimenti del Garante per la protezione dei dati personali: www.garanteprivacy.it

Il TRATTAMENTO DEI DATI VIA WEB

L'informativa è resa solo per i siti dell'INFN e non anche per altri siti web eventualmente raggiunti dall'utente tramite link.

Alcune pagine possono richiedere dati personali: si informa che il loro mancato conferimento può comportare l’impossibilità di raggiungere le finalità cui il trattamento è connesso

Ai sensi dell'art. 13 del Regolamento UE 2016/679, si informano coloro che interagiscono con i servizi web dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, accessibili per via telematica sul dominio infn.it, che il trattamento dei dati personali effettuato dall'INFN tramite web attiene esclusivamente ai dati personali acquisiti dall'Istituto in relazione al raggiungimento dei propri fini istituzionali o comunque connessi all’esercizio dei compiti di interesse pubblico e all’esercizio di pubblici poteri cui è chiamato, incluse le finalità ricerca scientifica ed analisi per scopi statistici.

In conformità a quanto stabilito nelle Norme per il trattamento dei dati personali dell’INFN e nel Disciplinare per l’uso delle risorse informatiche nell’INFN, i dati personali sono trattati in modo lecito, corretto, pertinente, limitato a quanto necessario al raggiungimento delle finalità del trattamento, per il solo tempo necessario a conseguire gli scopi per cui sono stati raccolti e comunque in conformità ai principi indicati nell’art. 5 del Regolamento UE 2016/679.

Specifiche misure di sicurezza sono osservate per prevenire la perdita dei dati, usi illeciti o non corretti ed accessi non autorizzati.

L’INFN tratta dati di navigazione perché i sistemi informatici e le procedure software preposte al funzionamento di questo sito web acquisiscono, nel corso del loro normale esercizio, alcuni dati la cui trasmissione è prevista dai protocolli di comunicazione impiegati. Questi dati - che per loro natura potrebbero consentire l'identificazione degli utenti - vengono utilizzati al solo fine di ricavare informazioni statistiche anonime sull'uso del sito e per controllarne il corretto funzionamento. Gli stessi potrebbero essere utilizzati per l'accertamento di responsabilità in caso di compimento di reati informatici o di atti di danneggiamento del sito; salva questa eventualità, non sono conservati oltre il tempo necessario all'esecuzione delle verifiche volte a garantire la sicurezza del sistema.

UTILIZZO DI COOKIE

Questo sito utilizza esclusivamente cookie “tecnici” (o di sessione) e non utilizza nessun sistema per il tracciamento degli utenti.

L'uso di cookie di sessione è strettamente limitato alla trasmissione di identificativi di sessione (costituiti da numeri casuali generati dal server) necessari per consentire l'esplorazione sicura ed efficiente del sito. Il loro uso evita il ricorso ad altre tecniche potenzialmente pregiudizievoli per la riservatezza della navigazione e non prevede l'acquisizione di dati personali dell'utente.

DIRITTI DEGLI INTERESSATI

Gli interessati hanno il diritto di chiedere al titolare del trattamento l'accesso ai dati personali e la rettifica o la cancellazione degli stessi o la limitazione del trattamento che li riguarda o di opporsi al trattamento secondo quanto previsto dagli art. 15 e ss. del Regolamento UE 2016/679. L'apposita istanza è presentata contattando il Responsabile della protezione dei dati presso l’indirizzo email: dpo@infn.it.

Agli interessati, ricorrendone i presupposti, è riconosciuto altresì il diritto di proporre reclamo al Garante quale autorità di controllo.

Il presente documento, pubblicato all'indirizzo: http://www.infn.it/privacy costituisce la privacy policy di questo sito, che sarà soggetta ad aggiornamenti.