SSTO

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Raffigurazione artistica del veicolo SSTO progettato della Lockeheed Martin

Un single-stage-to-orbit (o SSTO) è un veicolo spaziale progettato per entrare in orbita attorno a un corpo celeste, partendo dalla sua superficie, senza l'uso di stadi o vettori aggiuntivi.

Veicoli spaziali di questo tipo sono stati proposti in molte occasioni per il decollo dalla Terra, ma non sono mai stati concretizzati: tutti gli oggetti che hanno raggiunto l'orbita terrestre l'hanno fatto solo tramite stadi o vettori aggiuntivi, come per lo Space Shuttle.

Una delle principali difficoltà che ostacolano la realizzazione di SSTO è la necessità di raggiungere in poco tempo le velocità necessarie per ottenere una Orbita terrestre bassa (LEO)

Un'altra sfida impegnativa che l'SSTO deve superare durante il suo tragitto è quella di attraversare tutti gli strati dell'atmosfera terrestre. Su altri corpi celesti con minor densità atmosferica o addirittura privi di atmosfera, la difficoltà è minore: esempio ne sono i vari moduli LEM che dalla superficie lunare sono riusciti a ottenere un'orbita senza l'ausilio di stadi ausiliari.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Nelle prime progettazioni di veicoli spaziali, gli SSTO sono stati raramente presi in considerazione viste le difficoltà nella progettazione. I primi SSTO progettati erano semplicemente dei razzi che non avevano stadi da sganciare durante il percorso. Una delle prime idee portò alla progettazione dell'OOST (One stage-Orbital-Space-Truck) da parte di Philip Bono negli anni Sessanta. Con l'incentivo della ricerca militare, Bono iniziò a studiare progetti di SSTO che potessero trasportare sia carichi per la costruzione in orbita, sia truppe per intervento rapido in tutto il globo. Inizialmente l'idea era quella di creare un SSTO completamente nuovo; nel 1967 lo stesso Bono iniziò invece a pensare a un modulo che doveva rendere gli stadi superiori del Saturn IB un vero e proprio SSTO: venne denominato come SASSTO (Saturn Application Single-Stage-To-Orbit) ed era teoricamente capace di portare in orbita una capsula Gemini con due persone a bordo.

Il SASSTO come punto di partenza[modifica | modifica wikitesto]

I progetti di SSTO furono abbandonati da Bono successivamente alla realizzazione dell'STS (Space-Transportation-System) Space Shuttle: a Bono va comunque il merito di aver studiato anche solo le basi di quello che un SSTO dovrebbe possedere o riuscire a compiere.

Nel 1969 nella MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) il progettista D. Koelle usò come base per la progettazione di un nuovo SSTO per la ESA (Agenzia Spaziale Europea) il vecchio progetto del SASSTO di Bono arrivando a concepire il progetto BETA (Ballistisches Enistufiges Traeger-Aggregat) con un carico utile di circa due tonnellate. Nella ESA però il pensiero che la progettazione di un SSTO fosse inutile o anche solo molto dispendiosa portò all'abbandono della ricerca.

Il Phoenix fu il primo veicolo concepito per l'uso privato: nel 1969 infatti gli ingegneri lavorarono su materiali leggeri come l'alluminio, sia per diminuire il peso sia per renderlo più economico per gli investitori. Ad essi fu promessa la realizzazione di una famiglia di veicoli ognuno specializzato in un determinato compito: questo però non avvenne ed il progetto fu archiviato.

Gli anni Settanta[modifica | modifica wikitesto]

Disegno esplicativo del progetto di SSTO Phoenix

Nel 1970, uno dei progetti più completi di SSTO fu quello ideato dalla Chrysler Corporation's Space Division. Qui un gruppo di progettisti diretto da Charles Tharratt disegnò un accurato progetto di SSTO, chiamato SERV (Single Stage Earth-Orbital Reusable Vehicle): esso raccoglieva la sfida di portare in un'orbita bassa come SSTO un carico utile pari a quello dello Space Shuttle, pur rimanendo un veicolo completamente riutilizzabile una volta ritornato sulla superficie. Il SERV fu uno dei primi progetti ad avere la possibilità, grazie a motori multipli che lavoravano in sinergia, di effettuare "l'hovering" prima dell'atterraggio dando così tempo al pilota di valutare il terreno su cui il razzo andava a posarsi. Questa caratteristica era particolarmente utile nel caso l'SSTO fosse andato fuori rotta e avesse dovuto atterrare al di fuori dalla zona di atterraggio in terreni dove il terreno poteva presentarsi pericoloso. Il SERV però non fu mai realizzato a causa dei tagli ai fondi della NASA.

Controverso fu il caso dell'ingegnere Edward Gomersall che ideò un SSTO senza pilota capace di supportare una missione di continua esplorazione lunare. Le alte sfere della NASA non videro di buon occhio questa idea sopprimendola ai suoi stadi iniziali, Gomersall fu addirittura allontanato da tale sezione di progettazione.

In competizione con la famiglia dei Phoenix, l'ATV (Aereospace-Test-Vehicle), progettato nel 1972 da George Detko del Marshall Space Flight Center Engineer con una piccola cooperazione della NASA fu un razzo che influenzò tutti i progetti concorrenti. Questo perché esso aveva un GLOW (peso massimo al decollo) di circa 22 679 Kg: molto al di sotto di un SSTO contemporaneo di quegli anni. Fu esempio di come un progetto pur non finanziato da enti pubblici potesse essere più piccolo, meno complesso e comunque competitivo.

Negli anni Settanta, il governo degli Stati Uniti prevedeva di realizzare una rete di SPS (Satellite Solar Power) che consisteva nel creare una rete di satelliti dotati di pannelli fotovoltaici in orbita intorno alla Terra così da soddisfare il fabbisogno energetico americano[1]. La Boeing nel 1977 iniziò dunque il disegno di un SSTO capace di soddisfare le specifiche di tale impiego: l'SSTO risultato aveva un carico utile di circa 226 796 Kg. Il progetto era stato ideato per avere i radiatori raffreddati ad acqua che poi verranno ripresi da molti veicoli successivi. Il progetto però non vide mai la luce dato che lo stesso governo americano si fece indietro sull'idea della rete di satelliti.

Gli anni Ottanta[modifica | modifica wikitesto]

Raffigurazione artistica di un rifornimento del Phoenix

Con la nascita della Pacific American Launch Systems, concentrata sulla creazione di SSTO VTOL, nel 1982 la famiglia dei Phoenix conobbe un rilevante progresso ingegneristico, implementando numerose caratteristiche derivate dagli ultimi modelli di SSTO. Questa versione del Phoenix rendeva il razzo più compatto ed economico anche in fase di test, grazie all'utilizzo non di un singolo motore ma di ben 24 motori separati, più economici e affidabili di un singolo motore più potente.

Alla fine degli anni Ottanta un impiegato della Lockheed Missiles and Space Company di nome Maxwell Hunter, ideò l'X-Rocket non suscitando comunque nessun interesse in eventuali investitori. La Lockheed decise lo stesso di creare una divisione per lo sviluppo del progetto. Denominata Advanced Development, la divisione iniziò lo studio di un SSTO a forma conica con un peso massimo al decollo di 226 796 Kg spinto da un gruppo di motori RL-10. La Lockheed, completato il disegno principale, diede il progetto anche alla Missile System Division che gli voleva dare anche un impiego da ICBM. Un rapporto della USAF Aereospace Corporation sull'X-Rocket mise alla luce la ancora poca convenienza del veicolo portando la Lockheed ad abbandonare il progetto e lo stesso Hunter a dimettersi continuando a lavorare sul SSTO come consulente esterno.

Gli anni Novanta[modifica | modifica wikitesto]

Successivamente ai numerosi test della Aerospace Corporation, una sezione civile di analisi dell'USAF, emerse il pensiero comune che gli SSTO non fossero più al di fuori dalla portata tecnologica del momento, e che i progetti fossero solo non particolarmente efficaci nel loro scopo. Nel 1989 una particolare ondata di interesse nei progetti di SSTO arrivò direttamente dal governo statunitense, che aveva interesse a riportare interesse in progetti come il Phoenix o l'SSX dato il maggior potenziale che possedevano rispetto agli altri, spianando così la strada al programma SDIO.

La SDIO (Strategic Defense Initiative Organization) finanziò in questo periodo aziende come la McDonnell Douglas, la Rockwell, o anche la Boeing per dar vita a progetti di SSTO. La prima spaccatura si creò tra le varie industrie nella scelta tra progettare un VTOL (veicoli a decollo e atterraggio verticale) o un HTHL (veicoli a decollo e atterraggio orizzontale). In un primo tempo la SDIO fu propensa a limitare questa competizione ai soli VTOL, restrizione che però non fu adottata, lasciando le varie industrie libere di scegliere il metodo di decollo o atterraggio a loro discernimento.

La General Dynamics iniziò i disegni di un nuovo SSTO con capacità VTOL. La Boeing invece optò per perfezionare il suo modello di SSTO HTHL denominato RASV montante un miglioramento dei motori principali dello Space Shuttle e richiedendo un lancio tramite slitta o rotaia. La Rockwell invece si spinse in una direzione intermedia con la progettazione di un VTHL (veicolo a decollo verticale e atterraggio orizzontale) che lo portò necessariamente ad assomigliare allo Space Shuttle Orbiter; la motoristica invece prevedeva un motore Aerospike.

Gli ultimi progetti[modifica | modifica wikitesto]

Uno degli ultimi progetti, che riuscì addirittura a esser costruito in scala per i test, fu quello del Delta Clipper abbreviato come McDonnell Douglas DC-X. Rimasero però solo su carta le altre versioni come il DC-X2, una versione in mezza scala, e la versione finale denominata DC-Y. Il progetto fu archiviato quando il DC-X, dopo che la NASA acquisì il progetto, durante un atterraggio di prova, atterrò con solo tre delle quattro delle gambe d'atterraggio, causando il cedimento e la successiva esplosione del veicolo sulla zona di atterraggio.

Foto del primo atterraggio del DC-XA

Un altro veicolo degno di nota fu il Roton, ideato dalla Rotary Rocket, che dopo aver destato una grande attenzione da parte dei media ed esser riuscito a completare i test in scala, dovette esser abbandonato a causa della impraticabilità dell'idea di un elicottero con propulsione a razzo.

Varie idee di SSTO[modifica | modifica wikitesto]

Durante le varie progettazioni, si sono accavallate varie idee sul tipo di veicolo. La scelta tra SSTO HTHL e SSTO VTOL creò due correnti di pensiero. Entrambi i modelli infatti necessitavano il superamento di sfide ingegneristiche di una certa complessità, e in particolare l'HTHL prevedeva l'utilizzo anche di motori da atmosfera Air Breathing come lo Scramjet. Ciò portò così allo studio di materiali adatti all'uso sotto forti stress aerodinamici e termodinamici, che ancora però erano fuori dalla portata tecnologica.

Un veicolo VTOL era sicuramente meno complesso da progettare. Rimaneva però il problema della propulsione e dal carico utile che il razzo poteva avere; si puntava inoltre ad avere un veicolo il più riutilizzabile possibile così da abbattere ulteriormente i costi di ogni missione.

Tra le idee più particolari e portate avanti ci fu quella del SSTO-proiettile che consisteva nello "sparare" il veicolo verso verso l'orbita. L'idea era infatti quella di dargli un ragguardevole velocità iniziale al lancio permettendo così di trasportare meno propellente.

Scelta dei carburanti[modifica | modifica wikitesto]

La scelta del carburante in un veicolo che deve raggiungere tali distanze e velocità è uno degli aspetti più cruciali. Agli inizi si pensò di utilizzare una miscela di ossigeno, che serviva per permettere la combustione nel vuoto, e kerosene. Successivamente con il progredire della ricerca ci si spostò su una propulsione tramite ossigeno e idrogeno capace di produrre un impulso specifico decisamente maggiore[2].

L'idrogeno aveva i suoi lati negativi non indifferenti: essendo molto meno denso dei suoi rivali, le pompe e il meccanismo di iniezione dovevano necessariamente essere più potenti e quindi più pesanti rispetto a un propellente più denso. Questo portava a un veicolo più pesante che necessitava di una curva di salita più ripida per evitare di usare troppo carburante nell'ascesa: questa ascesa più ripida si traduce in una minor spinta orizzontale che, per ottenere l'orbita, doveva esser compensata una volta raggiunto lo spazio da una accensione più lunga tale da ottenere la velocità orbitale necessaria.

Tipi di propulsione[modifica | modifica wikitesto]

Il tipo di propulsione ha visto il susseguirsi di varie idee per rendere il veicolo sia efficiente che veloce. In principio il tipo di propulsione privilegiato era quello comune a tutti i razzi, con un motore a ugello a campana che bruciava idrogeno o kerosene. Successivamente si passò a ideare SSTO con più motori.

Raffigurazione del confronto tra motori con ugello a campana e motori di tipo Aerospike

Nucleare[modifica | modifica wikitesto]

Nel corso degli anni si teorizzò l'utilizzo di motori a propulsione nucleare che avevano sicuramente un'efficienza ragguardevole ma che suscitavano parecchi problemi sia per la sicurezza sia per l'impulso generato. I motori nucleari che riuscivano ad avere un rapporto peso potenza maggiore di uno erano per l'appunto davvero pochi. Comunque, i problemi di sicurezza fecero successivamente scartare completamente questa idea che metteva a rischio sia i tecnici e l'equipaggio sia il territorio nel caso in cui il razzo si fosse schiantato al suolo.

Aerospike[modifica | modifica wikitesto]

L'Aerospike fu uno dei migliori candidati come rimpiazzo alla comune propulsione degli SSTO. Questo motore permetteva al razzo di conservare la stessa efficenza su molti strati dell'atmosfera. Il motore aveva una forma a V che permetteva di usare la stessa pressione atmosferica per creare un ugello virtuale: ad alta pressione l'ugello rimane piccolo, schiacciato dalla pressione, ma, mano a mano che la pressione diminuisce fino a scomparire, l'ugello virtuale si espande. In questo modo la stessa pressione atmosferica viene usata per compensare automaticamente il cambiamento di altitudine. L'eccessivo peso dell'ugello è però un problema[3].

Propulsione "Air breathing"[modifica | modifica wikitesto]

Questo tipo di propulsione (respirazione aerea) prevede l'uso di motori che lavorano all'interno dell'atmosfera e che, come dice la parola, devono "respirare" ossigeno, attraverso prese d'aria, per permettere la combustione del propellente.

I problemi sorgono però nel raggiungimento della velocità orbitale. Oltre a non esister motori capaci di tale potenza, un'elevata velocità comporta necessariamente un'alta quantità di attrito e calore a cui il veicolo è sottoposto durante l'ascesa. Oltretutto, nel caso il veicolo non raggiungesse interamente la velocità orbitale in atmosfera, esso necessiterebbe di motori per l'uso nel vuoto. Questo porterebbe l'SSTO ad avere due tipi di propulsione, rendendolo poco efficiente rispetto ad un veicolo con un solo tipo di propulsione.

Metodi di lancio[modifica | modifica wikitesto]

I progettisti hanno ideato vari metodi di lancio che potessero ottimizzare l'efficacia dello SSTO e dare a esso una anche minima spinta in più rispetto a quella generata dal veicolo: alcuni prevedevano che il razzo partisse da terra, altri invece come lo Space Shuttle Enterprise, con lo Shuttle Carrier Aircraft[4], prevedevano che il veicolo venisse lanciato a mezz'aria, trasportato da un altro velivolo.

La lista che segue elenca i metodi di lancio più comuni.

Classico esempio di lancio "Captive on top"

"Captive on top"[modifica | modifica wikitesto]

Tradotto letteralmente "Prigioniero in cima" consiste nel fissare l'SSTO sul dorso di un velivolo capace di sostenerne il peso e di raggiungere particolari quote. Il veicolo successivamente si sgancia e continua l'ascesa con i propri motori: se da una parte questo con aerei come il Boeing 747 permette di portare carichi ragguardevoli[5], sotto altri aspetti può rivelarsi problematico.

Nel momento del distacco infatti, dato che i due veicoli devono evitare di collidere, l'SSTO, necessita di una minima superficie alare che gli permetta di allontanarsi gradualmente. La protezione termica nei punti in cui l'SSTO era agganciato al velivolo madre inoltre è necessariamente assente.

"Captive on bottom"[modifica | modifica wikitesto]

Questa modalità, simile alla Captive on top, prevede che il veicolo, invece che essere fissato sulla schiena dell'aereo, sia agganciato alla sua pancia o alle sue ali. Questo, anche se rende il distacco molto più semplice, ne limita la grandezza del veicolo: inoltre l'aereo madre necessiterebbe di pesanti modifiche per essere in grado di sostenere il peso.

Trainato[modifica | modifica wikitesto]

Come suggerito dal nome questa modalità implica che il veicolo da lanciare venga trainato da un altro aereo come aliante: questo metodo necessita fortemente che l'SSTO abbia un superficie alare che gli permetta di sostenersi autonomamente. Il distacco però è molto semplice e l'aereo trainante deve subire minime modifiche. I problemi possono sorgere nel caso di problemi tecnici come possono esserlo i cavi che si spezzano durante il tragitto ed eventuali cedimenti del carrello che nella fase di decollo deve sostenere l'intero peso a pieno carico del veicolo.

Rifornito in volo[modifica | modifica wikitesto]

Con questo metodo, che non è un vero e proprio metodo di lancio, si pianifica un rifornimento in volo subito dopo la partenza per compensare il propellente usato nel decollo. Questo permette di decollare con un minor quantitativo di carburante e anche di dare la completa libertà in termini di grandezza del veicolo, che comunque dev'essere dotato di una superficie alare per consentirgli di eseguire il rifornimento in atmosfera.

Trasportato internamente[modifica | modifica wikitesto]

In questa opzione il veicolo è trasportato all'interno dell'aereo da cui verrà lanciato. I lati positivi sono molti e includono un basso costo di modifica, la totale sicurezza del SSTO all'interno del vano e anche la possibilità di far salire gli astronauti solo poco prima dello sgancio rendendo meno stressante l'intera missione.

Altri benefici riguardano la quota che l'aereo madre può raggiungere dato che l'attrito è minore rispetto ad un trasporto all'esterno, ma anche il momento dello sgancio che, in questo modo scivola su apposite pedane all'interno del trasporto in maniera più semplice e affidabile. Le uniche limitazioni sono ovviamente quelle della grandezza del veicolo che deve entrare all'interno del vano di carico, a meno che non si crei un aereo madre specifico al determinato SSTO che si vuole lanciare.

Note[modifica | modifica wikitesto]

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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