Quale approccio per andare sulla Luna?

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Il 25 maggio 1961 J.F. Kennedy pronunciò il famoso discorso Abbiamo deciso di andare sulla Luna” al Congresso degli Stati Uniti che ha ispirato il popolo americano a unire gli sforzi per raggiungere l’obiettivo più ambizioso che l’Essere Umano abbia mai perseguito: mandare un uomo sulla Luna e farlo ritornare sulla Terra sano e salvo.

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.

J. F. Kennedy

Nel 1961 la NASA non aveva ancora alcuna idea precisa circa il modo mandare un equipaggio umano sulla Luna, ma il personale tecnico era già al lavoro per preparare una visione d’insieme del progetto. Uno delle prime questioni fondamentali che gli ingegneri avrebbero dovuto affrontare del programma Apollo era rispondere alla seguente domanda:

Con quale approccio mandare tre astronauti sulla Luna?

Locandina di un film di fantascienza del 1950

La risposta più semplice sembrava essere quella di lanciare un vettore dalla Terra abbastanza potente da atterrare direttamente sulla Luna, quindi lasciare la superficie lunare per il rientro in sicurezza sulla Terra. Questa modalità di volo venne chiamata ascesa diretta o Direct Ascent (DA). Si trattava di una modalità simile a quella che proponevano i film di fantascienza negli anni ’50 con un unico razzo vettore che si alza e atterra in verticale comandato dagli astronauti dalla cima del razzo.

Questa ipotesi richiedeva la costruzione di un vettore di dimensioni immense chiamato Nova (maggiori di quello che sarebbe stato il Saturn V). ed era sostenuta dallo Space Task Group, già responsabile delle capsule Mercury, e portava con sé vantaggi e svantaggi: era una soluzione semplice e quindi presentava pochi punti di criticità, ma costi proibitivi dato che avrebbe dovuto portare con sé tutto il necessario (compreso il carburante) per l’intera missione.

Un’alternativa alla DA era costituita dal lancio di due o più razzi vettori più piccoli in orbita bassa terrestre: una volta in orbita le varie parti venivano assemblate insieme tramite un’operazione di Docking e Rendevous finale prima di effettuare il trasferimento orbitale verso la Luna (TLI / Trans Lunar Injection). Questa seconda ipotesi venne chiamata Earth Orbit Rendevous (EOR) ed era sostenuta dal Marshall Space Flight Center in Alabama dove era impiegato Wernher Von Braun.

Per molti mesi queste furono le uniche due opzioni sul tavolo per il progetto Apollo, finché John Houbolt iniziò a lavorare ad una terza opzione: il Lunar Orbit rendevous (LOR) o rendevous in orbita lunare. Hoyboldt era un ingegnere che lavorava dal 1942 al Langley Research Center.

Dopo alcune esperienze con la British Royal Aircraft consegui’ un dottorato presso il Politecnico di Zurigo con una tesi sui problemi strutturali legati alle temperature nei voli ad alta velocita’. Nel 1958 inizio’ ad interessarsi di manovre orbitali e nell’anno seguente sviluppo’ l’idea.

Dr John Houbolt (1919 – 2014)

Gli attori principali del LOR erano i seguenti:

  • la navicella madre o modulo di comando (CM)
  • il modulo di servizio (SM) contenente i sistemi di controllo e sussistenza
  • il CM ed SM compone il CSM, modulo di comando e servizio
  • Il razzo a tre stadi Saturn V
  • il lander lunare (LM) a sua volta composto da un modulo di ascesa (DA) e discesa (DS)
Dr John Houbolt ed il LOR (Fonte: Getty Images)

L’approccio LOR consiste nei seguenti passi:

  • Dopo 13 minuti dal lancio il terzo stadio del Saturn V raggiunge l’orbita di parcheggio LEO per la verifica dei sistemi del CSM. In caso di problemi e’ ancora possibile il rientro a Terra.
  • Si riacendono i motori e si effettua la TLI (Trans Lunar Injection)
  • Dopo 3 ore dal decollo si apre a petalo l’ogiva del terzo stadio scoprendo il LM. Il CSM si allontana, vira di 180 gradi torna indietro, aggancia il LM e lo estrae.
  • Il terzo stadio viene abbandonato (messo in orbita eliocentrica), il CSM si riallinea nella direzione della traiettoria translunare.
  • Dopo circa 80 ore l’Apollo si insrisce in orbita circolare con perilunio di 111 Km. Il pilota ed il comandante si trasferiscono nel LM. Il LM si distacca dal CSM che rimane in orbita lunare.
  • Il LM inizia una serie di accensioni controllate e deorbita. La procedura di discesa e’ automatica con la possibilita’ di effettuare manualmente correzioni di rotta.
  • Gli astronauti quindi atterrano e proseguono con l’EVA. Viene utilizzato il DA del LM per la fase di ascensione e ricongiungersi al CSM.
  • Si effettua il docking e si abbandona il DA del LM ormai inutile e si entra in ETI (Earth Transfer Injection)
  • Correzioni di rotta, in prossimita’ della Terra si abbandona il SM e gli astronauti rientrano sulla Terra.

I vantaggi presentati dal LOR erano molteplici:

  • il veicolo con funzioni di allunaggio poteva essere molto più piccolo e specializzato solo per il suo scopo.
  • Una minore massa complessiva del vettore da progettare e quindi un minore consumo di carburante. In questo contesto il Saturn V di Von Braun era preferibile al progetto del Nova.
  • Il restante equipaggiamento necessario per il rientro sulla Terra rimaneva in orbita, al riparo dai problemi di allunaggio.
  • La discesa sul suolo lunare poteva iniziare da un’altezza più bassa e sicura piuttosto che da una velocità di arrivo più elevata se provenienti direttamente dalla Terra.
  • Più fattibile dei precedenti in quanto prevedeva la costruzione di veicoli più piccoli ed indipendenti. Questo significava che potevano essere costruiti contmporaneamente da appaltatori diversi. In tal caso i tempi di progetto erano più brevi e più verosimilmente entro la fine degli anni ‘60
Von Braun e altri membri della NASA in un meeting negli anni ’60. Sullo sfondo la traiettoria dell’Apollo 8

L’opzione LOR comportava anche molti costi aggiuntivi, perché introduceva una maggiore complessità, equipaggiamento e più personale da impiegare. Il Rendevous lunare era inoltre un’operazione molto critica: nessuno aveva ancora fatto un rendevous terrestre e, in caso di problemi era possibile fare rientrare gli astronauti secondo un’orbita balistica. Sulla Luna questo non era possibile: se il rendevous fallisce gli astronauti sono persi per sempre.

Nel dicembre 1960 alcuni ricercatori del Langley presentarono formalmente il progetto all’amministatore delegato della NASA Dr. Seamans il quale, nonostante ne riconobbe la validità, non ottenne l’approvazione ufficiale in quanto cosiderato un’opzione molto rischiosa. Per tutto il 1961 due comitati separati della NASA lavorarono alla valutazione delle prime due opzioni: AD (appoggiato dal Lundin Committee) e EOR (appoggiato dal Heaton Committee).

Houbold tenne altre presentazioni durante qell’anno sia nel corso dello Space Exploration Program a Washington sia al Golovin Commitee nell’agosto 1961, finché nel novembre 1961 Houbolt si decise scavalcando tutte le gerarchie di scrivere una lettera risolutiva a Seamans dove esortava la NASA a prendere in considerazione anche la sua opzione se si voleva andare sul serio sulla Luna.

Do we want to go to the Moon or not?

Dr. Robert Seamans

Due settimane dopo la NASA, si disse seriamente interessata a prendere in considerazione tutte le opzioni, anche la terza opzione, e in seguito gli operatori e i comitati (tra cui il Space Task Group) la appoggiarono. Anche Von Braun, sostenitore inizialmente dell’EOR cambiò idea ed appoggiò il LOR in quanto vista come l’unica opzione veramente fattibile per l’allunaggio in tempi brevi (entro la fine del decennio del 1960).

Diagramma con i tre approcci differenti per la missione di allunaggio

Solo il 12 luglio 1962, ben un anno dopo il discorso di Kennedy, Robert Seamans ed il neo amministatore NASA James Webb annunciarono a Washington la scelta del LOR per il progetto Apollo.

Bibliografia e immagini

Yuri Gagarin – il volo

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Tutto è pronto dicevamo …

Ecco brevemente quello che accadde in accordo l’ora locale di Mosca.

  • Ore 8:51 Gagarin ascolta della musica e rimane in attesa

  • Ore 8:57 Preparazione alle operazioni di accensione del vettore 8K72K.

  • Ore 9:07 (T = 0 s) Decollo dalla piattaforma di Baikonur (ora in Kazakistan).

  • Ore 9:09 (T = 119 s) Distacco dei quattro sovralimentatori del terzo stadio ed il cono di protezione in testa al vettore. Gagarin subisce un’accelerazione maggiore di 5 g (inferiore comunque ai valori estremi a cui si era sottoposto in fase di addestramento)

  • Ore 9:12 (T = 300 s) Anche il secondo stadio si spegne (il corpo centrale) e si accende il motore dello stadio finale.

  • Ore 9:18:15 (T = 676 s) Si spegne il terzo stadio. In orbita !!

Gagarin è il primo essere umano in volo orbitale intorno alla Terra; percorre un’orbita ellittica inclinata di 65° e 4’ rispetto all’equatore terrestre e si muove in direzione est (vedi figura).

L’obita di Gagarin – fonte http://www.svengrahn.pp.se

Kedr è il nome in codice del passeggero.

La capsula viaggia a circa 27400 Km/h e raggiunge un’altezza massima di 302 Km (apogeo) ed un’altezza minima di 175 Km (perigeo). Gagarin descrive le sensazioni che prova, ciò che vede dal visore e le reazioni del suo corpo in condizioni di gravità ridotta.

“Il volo procede regolarmente…  Mi sento bene …  La Terra è azzurra e  bellissima…  Vedo le nuvole … “ (Yuri Gagarin, 12 Aprile 1961)

  • Ore 9:21 Gagarin è sopra la penisola della Kamchatka.

  • Ore 9:32 A Shemya (Alaska), una stazione americana, capta le comunicazioni tra Gagarin e la base, demodulando il segnale video.

  • Ore 9:37 Gagarin incrocia sopra le isole Hawaii.

  • Ore 9:48 Gagarin ha da poco passato l’equatore. Tutto OK. Trasmette i parametri stato (Temperatura,  pressione interna e dei retrorazzi ed umidità)

  • Ore 9:49 E’ notte, si trova dentro l’ombra della Terra.

  • Ore 10:00 La TASS (agenzia stampa U.R.S.S.) emette un comunicato ufficiale. Il comunicato è dato con ritardo di circa un’ora dal lancio una volta che i parametri orbitali e l’inserimento in orbita sono corretti e la capsula percorre l’orbita prestabilita.

  • Ore 10:10 La notte è finita, la Vostok vede l’alba. Il sistema di orientamento solare si attiva in anticipo e grazie agli ugelli laterali, la capsula si mette in posizione per il rientro.

  • Ore 10:25 Sopra l’Angola si accendono i retrorazzi per il rientro, ma si spengono in anticipo. La capsula sobbalza ed inizia a roteare su se stessa, la PO (il modulo di strumentazione) non si separa completamente dalla SA (apparato di discesa): i cavi rimangono attaccati e Gagarin, ancora all’interno della PA, si trascina dietro un peso pericoloso. Rischia di perdere l’assetto corretto per il rientro.

  • Ore 10:35 Fortunatamente i cavi si staccano (molto probabilmente bruciano nell’atmosfera).

Raggiunti i 7000 metri di quota Gagarin si eietta e, dopo essersi separato dal sedile, apre il paracadute.

La Vostok 1 a terra. A sinistra si intravede il paracadute
  • Ore 10:55 La capsula, anch’essa fornita di paracadute, atterra.

  • Ore 11:05 Atterra a sud ovest di Engels, nella regione di Saratov, in un campo di contadini.

La prima persona che Gagarin, in ottima salute, incontra è la contadina Anna Takhtarova. Una volta informato il personale tecnico viene scortato a Kuybyshev, sul Volga dove i responsabili della missione, dopo aver esaminato la capsula, lo raggiungeranno.

L’evento fa presto il giro del mondo e per l’U.R.S.S. è un vero trionfo; nei giorni seguenti il neo promosso maggiore Gagarin viene festeggiato sulla Piazza Rossa assieme a Nikita Kruscev e diventa un eroe nazionale. Per motivi politici fu escluso da ogni altra attività di volo ma continuò a collaborare alla preparazione di altre missioni spaziali e allo sviluppo della navicella Sojuz.

Più tardi riuscì a ottenere il premesso di riprendere a volare, così la mattina del 27 marzo 1968 decollò dalla base di Chkalovskijj con un MIG-15 UTI assieme al copilota Seregin. Fu il suo ultimo volo: poco dopo il decollo, l’aereo precipitò. Scattò subito l’allarme e furono allertate le squadre di soccorso ma oramai era troppo tardi: ciò che fu recuperato venne cremato. L’urna con le ceneri di Gagarin riposano oggi nelle mura del Cremlino.

Un’apposita commissione nello stesso si occupò della tragedia e stabilì che la causa della tragedia era da cercare in un errore del pilota: per evitare la collisione di un pallone sonda Gagarin effettuò una virata improvvisa ed, unitamente alle condizioni meteo sfavorevoli, l’aereo precipitò. Il rapporto però non venne accettato dai suoi colleghi cosmonauti più esperti e, nel 1986  una nuova inchiesta ha scartato l’errore umano.

In primis l’equipaggio non aveva informazioni adeguate riguardante l’altitudine massima delle nuvole nella zona, inoltre altri aerei erano presenti nella zona. Quando l’equipaggio ricevette l’ordine di rientrare, iniziò la manovra di discesa volando in un denso strato di nubi; in quel momento un secondo aereo (un MIG-15) gli passò vicino e l’aereo di Gagarin entrò in un vortice d’aria e venne disorientato dallo strato di nubi. Quando Gagarin e Seregin uscirono dalle nubi l’equipaggio si trovò più basso di quanto avevano previsto e non ebbero il tempo per riportare l’aereo in quota.

Gagarin aveva dimostrato che l’uomo era in grado di volare oltre ogni limite, l’esplorazione dello spazio non si limitava più all’invio di sonde e la presenza fisica dell’uomo apriva nuove frontiere. Il volo di 50 anni fa ha rappresentato un punto di partenza soprattutto per la scienza ed ha creato nuove prospettive reali di ricerca per nuove discipline quali le telecomunicazioni, l’aeronautica, la meteorologia e la medicina.

Yuri A. Gagarin (9 Marzo 1934 – 27 Marzo 1968)

P.S. Vi consiglio di guardare (in HD) “The First Orbit”, un film gratuito che ripercorre, con l’aiuto della ISS, l’orbita di Gagarin sovrapponendo immagini di oggi con quelle dell’epoca insieme a spezzoni di audio originale. La fotografia è diretta da Paolo Nespoli.

Bibliografia

Yuri Gagarin

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Yuri Alekseevič Gagarin nasce il 9 marzo 1934 a Klushino, vicino a Smolesk (Oblast) da padre falegname e madre contadina trascorrendo l’infanzia con la famiglia in un kolchoz insieme ai suoi tre fratelli; durante la Seconda Guerra Mondiale i tedeschi occuparono il terreno dove sorgeva la fattoria di famiglia e Yuri fu costretto a interrompere la scuola. Al termine della Guerra si trasferì a Mosca dove frequentò una scuola per diventare fonditore e fece conoscenza con il prof. Ivanovich, suo professore di fisica.

Nel 1951 frequentò la scuola industriale di Saratov, dove si iscrisse alla scuola di volo locale (club aeronautico) e nel 1955 ricette il battesimo del volo su uno YAK 18; da subito si distinse dagli altri compagni per il suo talento e, nell’autunno dello stesso anno, decise di iscriversi all’Accademia Aeronautica Sovietica di Orenburg.

Qui ricevette una differente formazione tecnica: studiò il funzionamento degli aerei a reazione, i motori e la termodinamica. Anche in quest’occasione si distinse per le sue doti brillanti ed, una volta guadagnata la stima dei suoi superiori, iniziò a pilotare i MIG sotto la guida del suo istruttore Yadkar Akbulatov.

Nel novembre 1957 si diplomò presso la scuola militare con alto profitto e venne promosso a tenente dell’Aeronautica Sovietica; in questo stesso periodo conobbe la sua futura moglie Valya Goryacheva e nacque la sua prima figlia Helena. Grazie ai suoi alti meriti ebbe la facoltà di decidere la sua destinazione operativa e si trasferì nella base di Nikel (Murmansk), oltre il circolo polare artico con altri compagni di scuola.

Qui iniziò a fare pratica con i voli notturni sui MIG-15 ed a volare in condizioni meteorologiche difficili e fece quindi domanda per essere ammesso nel programma spaziale sovietico.

Nell’ottobre 1959 le commissioni esaminatrici presiedute dal colonnello medico Karpov selezionarono presso i maggiori centri del Paese, tra cui l’Ospedale dell’Aviazione di Mosca i primi candidati per il programma spaziale (più di 3000 candidati). Sin dall’inizio la selezione si mostrò molto dura, la commissione dovette tener conto delle caratteristiche fisiche del cosmonauta, che dovevano essere compatibili con quelle della navicella (c’era un limite alla massima altezza ed al peso). Inoltre dal punto di vista delle condizioni fisico/cliniche la vista, l’udito e il cuore dovevano essere in ottime condizioni.

Ii tecnici dovettero affrontare i primi problemi legati al volo spaziale, come ad esempio:

  • Può un essere umano sopravvivere nello spazio?
  • Un essere umano può ingoiare cibo?

Era necessario pianificare una campagna di esperimenti per rispondere a queste ed altre domande che oggigiorno sono diventate elementari.

I test che i candidati dovettero superare erano veramente duri e consistevano in test di stress (come la capacità di risoluzione di problemi matematici in condizione di disturbo sensoriale), test di esposizione ad alte temperature e test di accelerazioni/decelerazioni improvvise con la centrifuga.

Gagarin superò brillantemente tutte le prove ed entrò nella rosa dei venti candidati finali; si trasferì quindi a Mosca presso la ‘Città delle Stelle’. Il programma di addestramento divenne sempre più impegnativo e i venti candidati ebbero anche una preparazione teorica di astronomia, fisica, teoria del volo e medicina; le selezioni inoltre consideravano molto importante la pratica sportiva, soprattutto il nuoto.

Il 25 gennaio 1961 Gagarin apprese di essere nella squadra dei sei candidati finali; per scegliere il candidato finale si rendeva necessaria una successiva scrematura derivante da altri esperimenti voli su aerei Tupolev che simulavano l’assenza di peso e diversi lanci con il paracadute per simulare la ‘discesa’.

La decisione finale di Korolev cadde su Yuri Gagarin quattro giorni prima del lancio, e fu stabilito che la sua riserva era Gherman Titov (il cosmonauta della Vostok 2). La notte precedente alla missione Yuri dormì in una baita (oggi monumento nazionale) assieme a Korolev vicino alla piattaforma di lancio ed alla mattina, dopo aver indossato una tuta arancione, venne trasferito presso la rampa di lancio. Durante il viaggio si fermò a fare pipì sulla ruota del pullman e da allora è diventata una tradizione per tutti i cosmonauti.

Interno della Vostok 1

Ecco in breve alcune caratteristiche della capsula Vostok 1:

  • Forma: sferica di raggio 230 cm (La sfera richiede pochi controlli in fase di assetto).
  • Peso: 2460 Kg (Modulo di discesa) + 2270 Kg (Modulo di strumentazione)
  • La capsula conteneva aria a circa 1 atm 4/5 N2 e 1/5 O2
  • Tre oblò per osservazioni ottiche.
  • Seggiolino eiettabile di 800 Kg con sistema a paracadute.

Strumentazione di bordo:

  • Telecamera Topaz a bassa risoluzione.
  • Una manopola per il controllo manuale (da usare solo in casi di emergenza e sotto diretto comando del centro di controllo)
  • Un ricevitore radio.
  • Contenitore per il cibo.

Il razzo 8k72k. Fonte http://www.astronautix.com

Ricordiamo che Gagarin rappresentava il passeggero ed doveva essere trasportato e la capsula comandata dalle stazioni di controllo di terra, questo perché si temeva che nello spazio il pilota potesse soffrire di disturbi fisici o mentali e non si voleva correre alcun rischio.

Un particolare sensore solare era utilizzato come sistema di orientamento e manteneva l’asse dell’ugello principale rivolto verso il Sole, di conseguenza la spinta della caspula era sempre opposta al Sole, sia al decollo che alla discesa. Oltre al sistema di assetto c’erano a bordo dei giroscopi per il controllo dell’imbardata ed uno specchio per il controllo del rollio e beccheggio.

Un razzo di classe R7 8K72K tre stadi con un’altezza complessiva di 38 m venne utilizzato per portare in orbita Gagarin; esso derivava da un analogo razzo due stadi utilizzato per il trasporto delle testate nucleari che in pochi mesi venne re ingegnerizzato con nuovi motori in grado di generare una capacità di spinta adeguata. Da terra, sette stazioni avevano il compito di mantenere le comunicazioni radio con la Vostok e di trasmettere/ricevere informazioni di telemetria della navicella per il controllo dei parametri orbitali e di bordo.

Ormai tutto era pronto, e la mattina del 12 aprile 1961 alle 8:51 Yuri Gagarin, un uomo di 27 anni, si trovava sulla rampa di lancio di Baikonur all’interno della Vostok 1 in attesa di entrare nella storia. (continua)

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