Falcon 9 Block 5 – Tutte le novità della punta di diamante di SpaceX

Poche ore prima del lancio della missione Bangabandhu-1 Elon Musk in persona ha partecipato ad una teleconferenza con vari giornalisti, durante la quale il patron di SpaceX ha parlato a lungo e con ricchezza di dettagli di tutte le novità legate alla nuova (e probabilmente ultima) evoluzione del primo stadio del Falcon 9, la Block 5. Andiamo dunque a vedere quali sono state i principali punti illustrati da Musk.

I risultati raggiunti da SpaceX a maggio 2018

Nel 2018 SpaceX sta inesorabilmente macinando record dopo record:

• Con Bangabandhu-1 è avvenuto il nono lancio di SpaceX per il 2018, contro i cinque effettuati a maggio 2017.
• SpaceX ha volato con successo in orbita per 55 volte. 52 di queste con Falcon 9, 1 con Falcon Heavy e 2 con Falcon 1.
• Sono stati recuperati 24 primi stadi del Falcon 9: 11 atterrati sulla terraferma e 13 sulle drone ship. 11 sono stati riutilizzati.

Ecco il video della diretta streaming della missione Bangabandhu-1.

Block 5 o Versione 6?

Musk ha spiegato che il termine “Block” arriva dalla tradizione russa, ma in realtà quella che ha esordito con Bangabandhu-1 è tecnicamente la sesta versione del primo stadio del Falcon 9. Non ci saranno aggiornamenti sostanziali al Falcon 9 da qui in avanti, tranne modifiche di minore importanza per ottimizzare i processi di fabbricazione e apportare solo piccoli miglioramenti. Tornando ai numeri di versione, in futuro si potrebbero avere stadi del Falcon 9 in versione 6.01 o 6.02, ma non un vero e proprio Block 6 / Versione 7, in quanto ad un certo punto le risorse ingegneristiche e finanziarie di SpaceX saranno rivolte in via maggioritaria allo sviluppo di BFR.

Parola d’ordine: riutilizzabilità

Secondo Musk il concetto chiave del Falcon 9 Block 5 è massimizzare la riutilizzabilità:

• Il Block 5 è stato progettato per volare 10 volte di seguito, senza alcun intervento manutentivo di sostanza tra un volo e l’altro. Il solo intervento sullo stadio, a parte il trasporto e l’aggancio ad un nuovo secondo stadio e ad un nuovo carico pagante, dovrà essere solo il pieno di propellenti.
• I tecnici, ovviamente, saranno pronti ad agire nel caso la telemetria rilevi una qualsiasi condizione anomala, ma un ciclo di manutenzione approfondita avverrà solo al termine del decimo volo.
• Musk si aspetta che ogni stadio Block 5 sia in grado di svolgere fino a 100 missioni prima di venire ritirato dal servizio.

Per dimostrare la fiducia nell’affidabilità del Falcon 9 Block 5, SpaceX intende far rivolare lo stesso vettore entro 24 ore dall’atterraggio, con una missione da tenersi non oltre la fine del 2019. Si tratta di una sfida molto difficile, considerando che in 24 ore, di fatto, si avrebbe solo il tempo di recuperare lo stadio dalla landing zone, trasportarlo nell’hangar, montare il secondo stadio e il carico utile, portare il tutto in rampa e ripartire, il tutto rispettando i massimi standard di affidabilità e sicurezza.

Incalzato da alcuni giornalisti su questo preciso punto, Elon Musk ha spiegato con grande chiarezza che cosa significa per SpaceX “poca o nulla” manutenzione tra un volo e l’altro:

Ci aspettiamo di non fare letteralmente niente. Nessuna azione non necessaria tra un volo e l’altro, quindi, esattamente come con un aeroplano. Si tratta in pratica di recuperare il razzo dalla piazzola di atterraggio, ruotarlo orizzontalmente, ripiegare le gambe, portarlo in rampa di lancio (più probabilmente nell’hangar di fronte alla rampa – ndr), montare il secondo stadio, il carico utile e l’ogiva. Riportarlo sulla rampa di lancio, metterlo in verticale, fare il pieno di propellenti e volare. In teoria, questo e’ lo stretto necessario.

I principali cambiamenti introdotti sul Block 5

Motori Merlin

I motori Merlin 1-D sono stati ulteriormente ottimizzati, con un aumento delle prestazioni pari all’8%, arrivando a sviluppare una spinta di 845.000 newton a livello del mare (190.000 libbre/forza). Il singolo Merlin del secondo stadio, operante nel vuoto, raggiunge ora la spinta di 978.000 newton (220.000 libbre/forza).

Materiali e struttura

Il Falcon 9 Block 5 presenta varie novità sul fronte del sistema di protezione termico, riconoscibile dal suo colore nero. L’interstadio (cioè il segmento cilindrico che unisce il primo ed il secondo stadio), le canaline passacavi esterne, le zampe di atterraggio e svariate altre piccole parti esposte al calore del rientro ora sono ricoperte da un nuovo materiale protettivo sviluppato in casa da SpaceX, molto resistente e che non richiede alcuna verniciatura.

Il sistema di supporto strutturale primario del razzo, l’Octaweb, che si trova nella parte inferiore dello stadio e che di fatto costituisce l’alloggiamento dei motori a razzo, è stato notevolmente rinforzato. Octaweb è in grado di sopportare e contenere il malfunzionamento di uno dei Merlin senza che questo possa intaccare i motori adiacenti. La lega di alluminio 2000 scelta per le Octaweb delle versioni precedenti è stata sostituita da alluminio 7000, notevolmente più resistente.

L’octaweb (struttura grigio scura ins econdo piano) – (C) SpaceX

Parte dei meccanismi che trattenevano le zampe di atterraggio in posizione chiusa durante il volo sono stati riprogettati e spostati dalla loro posizione originale, e gli attuatori che ne consentono il dispiegamento possono essere aperti e chiusi ripetutamente a comando, eliminando la necessità di smontare fisicamente le gambe per consentire il trasporto del vettore una volta tornato a terra.

Si continuerà a fare uso delle grid fin (alette stabilizzatrici a griglia) in titanio, che hanno ampiamente dimostrato di surclassare per robustezza il precedente modello in alluminio.

Ci sono stati importanti passi avanti anche con il design dello scudo termico alla base del razzo. La vecchia struttura in materiali compositi è stata sostituita da una in titanio capace di resistere ad alte temperature, ed è stata dotata di un sistema di raffreddamento attivo ad acqua. Questo perché durante le fasi di rientro a più alta energia, che creano un’onda d’urto ipersonica, si è osservata la formazione di alcune “hot spot” molto calde, al punto da rendere necessario non solo l’utilizzo di materiali resistenti al calore, ma anche e un raffreddamento attivo concentrato in specifici punti dello scudo termico inferiore.

Con il Block5 si tenterà di usare la nuova ogiva, o come definita da Musk, il payload fairing versione 2. Musk è convinto che il successo nel recupero delle due semi-ogive diventerà frequente già a partire dai prossimi voli in calendario. Alla base di tutto questo sforzo vi è, ancora una volta, una semplice ragione economica: la fabbricazione di un fairing costa circa 6 milioni di dollari, il 10% del prezzo totale di un lancio.

Falcon 9 Block 5 first stage has landed on the Of Course I Still Love You droneship. pic.twitter.com/YHqdxIrc8b

— SpaceX (@SpaceX) May 11, 2018

Avionica

Il computer di volo e i controller dei motori a razzo sono stati aggiornati. È stato installato un sistema di controllo inerziale aggiornato, più accurato e resistente ai guasti rispetto al modello precedente.

Riutilizzo del secondo stadio

Come forse alcuni dei nostri lettori di più lunga data ricorderanno, una delle promesse di Musk agli albori del progetto Falcon 9 fu il completo recupero del vettore, incluso il secondo stadio. Sappiamo bene che le cose non sono andate esattamente come voluto: lo sforzo di recuperare il primo stadio, che rappresenta da solo il 60% circa del valore totale di un Falcon 9, ha assorbito la gran parte della forza lavoro e dei fondi disponibili, così il recupero del secondo stadio è finito per qualche anno in soffitta. Musk stesso ha ammesso che non si è mai svolta una raccolta sistematica di dati dopo il “disposal burn” del secondo stadio (cioè una breve accensione dei razzi del secondo stadio atta a rallentarlo e a causarne il rientro distruttivo in atmosfera). Per esempio, non sono ancora stati raccolti dati esatti sul momento preciso e sulle condizioni ambientali nel momento della distruzione del secondo stadio.

Le cose stanno per cambiare: a partire dai prossimi voli si inizierà la raccolta di dati telemetrici dal secondo stadio in fase di rientro. Vista la velocità e le condizioni particolari di un rientro atmosferico, la ricezione dei dati sarà un compito piuttosto complesso: a contatto con gli strati più densi dell’atmosfera, che vengono compressi, attorno allo stadio si sviluppa un alone di plasma che impedisce la corretta trasmissione radio direttamente verso terra. Per questo motivo Musk ha affermato che la trasmissione sarà rivolta verso l’alto, dove dall’orbita i satelliti Iridium saranno pronti a raccogliere i segnali e ad agire da ponte radio, rimandandoli al centro di controllo di SpaceX. I dati di telemetria raccolti riguarderanno principalmente temperature, lo stato di “salute” dello stadio e l’altitudine.

Con il tempo saranno aggiunti in modo progressivo degli strati di materiale protettivo termo-resistente allo stadio, per capire quanto ne sia davvero necessario perché lo stadio sopravviva al rientro in condizioni tali di essere riutilizzato. Musk ha dato per certa la capacità tecnica di poter recuperare il secondo stadio, ma rimane da stabilire quanto questo sia costoso in termini di massa, e quanto sforzo ingegneristico valga la pena investire mentre continua il lavoro in parallelo sul BFR.

Parliamo di costi

Un recupero di successo del primo stadio significa riportare al suolo circa la metà (tra il 50 e il 60%) del costo di produzione dell’intero razzo. Il secondo stadio incide sui costi di produzione per il 20%, l’ogiva (fairing) per il 10% ed il restante 10% è legato ad altri costi accessori e incomprimibili di ogni lancio. Ad esempio, oltre ai salari dei tecnici, i costo del propellente di ciascun lancio varia tra i 300 e i 400 mila dollari.

Musk resta naturalmente un inguaribile ottimista, e secondo le sue affermazioni recuperare *tutti* gli elementi del razzo potrebbe portare, in futuro, ad una diminuzione del costo pari a 1/10 dell’attuale, nell’ordine di 6 milioni di dollari a lancio.

Il difficile processo di certificazione per i voli abitati

Certificare un vettore per il trasporto di esseri umani significa soddisfare migliaia di criteri di sicurezza. Se per il lancio di un payload qualsiasi senza esseri umani a bordo bisogna costruire il razzo con margini del 25% (cioè prendere le condizioni peggiori attese durante il volo del vettore, e progettare il tutto per un ulteriore 25% di margine di sicurezza), per un volo abitato questo margine sale al 40%. La difficoltà sta nel risolvere le sfide poste dal guadagnare questo ulteriore 15% senza rendere il vettore troppo pesante o troppo costoso.

La Dragon 2 durante un test a terra – (C) SpaceX

Ad esempio, l’avionica deve essere pienamente fault tolerant, capace sopportare malfunzionamenti multipli riuscendo comunque ad arrivare in orbita. Per la parte motoristica avere un design a motori multipli è di grande aiuto, in quanto il malfunzionamento di un motore può essere compensato dagli altri. Il meccanismo di separazione tra gli stati, poi, deve essere opportunamente ridondato in tutte le sue componenti chiave, sia elettroniche che meccaniche. I serbatoi in materiali compositi sono stati certificati per sopportare il doppio della pressione sperimentata durante il rifornimento dei propellenti sul launch pad. Questi elementi sono stati un punto particolarmente delicato per SpaceX, soprattutto dopo l’incidente di qualche anno fa che portò alla distruzione in rampa del Falcon 9 della missione Amos.

Un altro punto cruciale legato a questo aspetto, ancora in sospeso al momento della scrittura di questo articolo, è la certificazione da parte di NASA della procedura di rifornimento dei propellenti, che per ragioni tecniche dovrebbe avvenire mentre i futuri astronauti effettueranno le procedure di imbarco della Dragon 2. Musk ha affermato con forza che SpaceX sarà in grado di convincere NASA, che far salire a bordo l’equipaggio mentre allo stesso tempo si fa il “pieno” di propellenti criogenici al Falcon è sicuro. SpaceX ha messo i suoi migliori ingegneri al lavoro sul re-design e test dei serbatoi in compositi. Egli stesso ha voluto seguire personalmente le varie fasi di design, e  ha dichiarato di essere di essere assolutamente certo della bontà del risultato finale. In ogni caso, se comunque qualcosa dovesse andare storto, Musk ha ricordato che la Dragon 2 è in grado di portare l’equipaggio in salvo immediatamente grazie al meccanismo di espulsione/aborto del lancio, che può essere attivato in qualsiasi momento, anche con il razzo ancora in rampa.

SpaceX pianifica di costruire in totale una trentina di nuovi Falcon 9 Block 5, e di effettuare fino a 300 missioni prima di passare al BFR.

La registrazione della conferenza stampa è disponibile in questo video Youtube.

Fonte:  https://gist.github.com/theinternetftw/5ba82bd5f4099934fa0556b9d09c123e via Reddit /r/SpaceX