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Introduzione

Space shuttle Navicella spaziale progettata per il trasporto di uomini e merci in orbite terrestri. La NASA, l’ente spaziale e aeronautico degli Stati Uniti, mise a punto lo shuttle negli anni Settanta come razzo e aeronave riutilizzabile. L’obiettivo era significativamente diverso da quelli dei precedenti programmi spaziali, in cui i dispositivi di lancio e i veicoli spaziali potevano essere usati una sola volta.

Il primo space shuttle, il Columbia, fu lanciato il 12 aprile 1981, dopo circa dieci anni di preparazione. Oggi, dopo l’incidente del 1° febbraio 2003, in cui il Columbia è andato distrutto insieme al suo equipaggio, sono operative tre navette: il Discovery, inaugurato nel 1983, l’Atlantis, introdotto nella flotta nel 1985 e l’Endeavor, costruito nel 1991 per sostituire il Challenger, distrutto nel 1986.

Gli shuttle furono inizialmente impiegati per la messa in orbita di satelliti, e per condurre missioni militari ed esperimenti scientifici; con il maturare del programma sono stati adottati per altri scopi: per revisionare e riparare satelliti orbitanti e per recuperare e riportare a Terra mezzi spaziali precedentemente posizionati. Uno space shuttle è predisposto per trasportare nello spazio una gran varietà di apparecchiature, tra cui satelliti per telecomunicazioni, militari e astronomici, dispositivi per gli esperimenti sull’apparente assenza di peso nello spazio, e altre attrezzature sperimentali. Durante le collaborazioni con altri paesi, la NASA rende disponibile lo spazio di carico utile degli shuttle per progetti speciali.

Nella fase di decollo lo space shuttle lascia la Terra come un razzo a lancio verticale; il segmento orbitante è progettato per resistere alle estreme condizioni di temperatura che si sviluppano al rientro nell’atmosfera e l’atterraggio è orizzontale, simile a quello di un aliante su una comune pista d’aeroporto. L’equipaggio è selezionato tra piloti e astronauti professionisti con una lunga preparazione specifica. La responsabilità primaria del comandante della missione e del pilota è guidare la navicella come veicolo di lancio, come astronave e come aeronave, mentre agli altri membri dell’equipaggio (fino a cinque altre persone) competono gli aspetti specifici della particolare missione spaziale. Lo specialista della missione è l’astronauta-guida, il quale garantisce che vengano raggiunti gli obiettivi preposti.

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Astronavi e sistemi di supporto

Il sistema shuttle, detto Space Transportation System (STS) è la macchina più complessa e tecnologicamente avanzata del mondo. È costituito dalla navicella orbitante, dal sistema di propulsione (due razzi elevatori compatti, detti SRB, e tre motori principali) e da un serbatoio esterno di carburante.

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La navicella orbitante

È il cervello e il cuore dell’STS e comprende sofisticati apparecchi per il controllo di volo, un costoso rivestimento per la protezione dalle elevate temperature e il sistema di propulsione a razzo. La navicella orbitante, l’Orbiter, di dimensioni simili a un DC-9 (un bireattore piuttosto piccolo), contiene lo scomparto pressurizzato dell’equipaggio (che può trasportare fino a sette membri), il vasto vano di carico e i tre motori principali.

La cabina dell’equipaggio ha tre livelli, il ponte di volo, il ponte intermedio e l’area di servizio. La parte più alta è il ponte di volo, dove comandante e pilota controllano il mezzo; tre astronauti occupano le postazioni di lancio nel ponte intermedio, dove si trovano anche la cambusa, la toilette, i dormitori e gli armadi per i materiali e gli esperimenti. Sempre nel ponte intermedio sono collocati i portelli laterali per entrare e uscire dal veicolo a terra e la porta stagna per accedere al vano di carico e da questo allo spazio.

Il vano di carico degli shuttle è adattabile a centinaia di usi. Grande abbastanza per contenere un autobus di grosse dimensioni, è adibito al trasporto di satelliti, astronavi e laboratori scientifici e costituisce una stazione di lavoro per la riparazione delle apparecchiature e dei satelliti, una base per erigere strutture spaziali e un’area di magazzinaggio per i satelliti recuperati. Sul fianco sinistro del vano di carico, dietro il reparto dell’equipaggio, si trova un sistema di controllo remoto, sviluppato e finanziato dal governo canadese. Si tratta di un braccio meccanico con tre snodi, lungo circa 15 m, sul quale sono montate due telecamere che forniscono informazioni visive ai membri dell’equipaggio.

Un rivestimento particolare e fogli flessibili di materiale isolante coprono le superfici della navicella esposte al calore e garantiscono un’adeguata protezione durante il rientro nell’atmosfera terrestre. Diversamente dai primi mezzi spaziali con pilota, come il modulo di comando dell’Apollo, che usavano materiali soggetti alla progressiva fusione durante il rientro nell’atmosfera e quindi non riutilizzabili, lo shuttle adotta un sistema protettivo composto da piastrelle in fibra di silice che possono essere usate per innumerevoli missioni prima di dover essere sostituite.

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Sistemi di propulsione

I due razzi (booster) a propellente solido forniscono la maggior parte della potenza necessaria per i primi due minuti di volo. Una volta accesi, non possono più essere spenti, pertanto sono gli ultimi a essere attivati nella fase di lancio. Essi portano lo shuttle a un’altitudine di 45 km e a una velocità di 4973 km/h prima di essere sganciati e ricadere nell’oceano. Inizialmente venivano recuperati, rimessi a nuovo e riutilizzati; dopo l’incidente del Challenger, dovuto proprio a un problema insorto su un giunto di questi razzi, vengono eliminati. Dopo la caduta dei razzi, la spinta viene fornita dai tre motori principali a propellente liquido, che sono alloggiati nella parte posteriore della navicella. Questi motori bruciano per soli otto minuti in ciascun volo, quanto basta perché la navicella raggiunga l’orbita, e sono progettati per funzionare per 55 voli.

Un altro sistema di propulsione entra in funzione quando vengono disattivati i motori principali della navicella e questa si avvicina al punto di inserimento orbitale. Due motori del sistema di manovra orbitale (Orbital Maneuvring System, OMS), montati sui fianchi di poppa della fusoliera, forniscono la spinta per gli spostamenti più importanti. Per le manovre più precise vengono invece impiegati 44 piccoli razzi (che nel complesso costituiscono il sistema di controllo a reazione), alloggiati nel muso e ai lati della poppa della navicella.

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Il serbatoio esterno

Il gigantesco serbatoio cilindrico esterno (lungo 47 m e del diametro di 8,4 m) è il più grande degli elementi che compongono la space shuttle. Alimenta i tre motori principali della navicella orbitante e, durante il lancio, funziona anche da supporto per la navicella e i booster, ai quali è collegato. In contenitori separati e pressurizzati, il serbatoio contiene idrogeno e ossigeno liquidi, che reagiscono sviluppando la combustione che fornisce energia ai motori. Durante il lancio, il serbatoio esterno spinge il combustibile compresso in piccoli condotti, che si diramano in linee più piccole e alimentano direttamente i motori principali. Ciascuno dei motori principali consuma circa 450 kg di combustibile al secondo. Realizzato in lega di alluminio, il serbatoio esterno è la sola parte del veicolo di lancio che non viene normalmente riutilizzata. Dopo che i suoi 1,99 milioni di litri di carburante sono stati consumati durante i primi 8,5 minuti di volo, esso viene sganciato dalla navicella e si disintegra negli strati superiori dell’atmosfera.

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Dal count-down al rientro: profilo di una missione-tipo

Nella configurazione di lancio, l’Orbiter è posizionato verticalmente sulla piattaforma, solidale con il serbatoio esterno e con i due booster. Una volta portate a termine tutte le operazioni di controllo, gli operatori di terra provvedono all’accensione dei motori. A 6,6 secondi dal decollo vengono accesi i razzi a combustibile liquido; solo se questi funzionano correttamente, fornendo almeno il 90% della spinta di cui sono capaci, vengono accesi anche i motori principali (questa procedura si impone perché i motori principali, che sono alimentati da combustibile solido, una volta azionati non possono più essere spenti; conviene quindi che entrino in funzione solo una volta appurato il corretto funzionamento di tutti gli altri sistemi). All’accensione dei motori principali, lo shuttle decolla.

A 60 secondi dal lancio i motori raggiungono il massimo della spinta, per poi spegnersi dopo due minuti di funzionamento: il propellente solido si esaurisce e i due booster vengono staccati dalla fusoliera: con l’aiuto di piccoli razzi si allontanano dalla traiettoria della navicella principale e ricadono a Terra, a circa 250 km dal sito di lancio. Prima del disastro del Challenger venivano recuperati e riutilizzati; nelle missioni successive la NASA ha preferito utilizzare materiale nuovo ogni volta.

A 7,7 minuti dal decollo viene ridotta la potenza dei motori principali, in modo da mantenere l’accelerazione dello shuttle al di sotto di 3 g (un valore pari a tre volte l’accelerazione di gravità).

Dopo 8,5 minuti dal lancio anche i tre motori principali vengono spenti: il serbatoio esterno si stacca, ricadendo verso Terra e consumandosi al rientro in atmosfera; non può essere quindi né recuperato né tanto meno riutilizzato.

Per inserirsi nell’orbita della missione, lo shuttle può contare su un ulteriore, specifico sistema di propulsione, l’Orbital Maneuvring System (OMS, sistema di manovra orbitale). In circa 45 minuti la navicella raggiunge la quota desiderata (generalmente compresa tra 180 e 400 km dalla superficie terrestre) ed entra in orbita, dove rimane per tutta la durata della missione, governata soltanto dall’inerzia, e dall’attrazione gravitazionale che la Terra esercita su di essa; solo nel caso si rendano necessarie correzioni orbitali o cambi di velocità entrano in funzione i motori.

Il sistema propulsivo che porta la navicella in direzione della Terra al momento del rientro prende il nome di Reaction Control System. L’assetto di rientro viene assunto dalla navicella a circa 120 km di quota sulla superficie terrestre: è necessaria un’inclinazione di 40° rispetto alla superficie terrestre per evitare che la navicella, che in questa fase viaggia a una velocità di circa 28.000 km/h, prenda fuoco e si carbonizzi a causa del calore sviluppato per l’attrito contro i gas atmosferici.

Durante il rientro, in coincidenza con l’attraversamento della ionosfera si interrompe il collegamento radio con la terra per circa 12 minuti (Ionization Blackout). A 40 km di altezza al di sopra della superficie terrestre, il sistema di controllo automatico cede il comando al pilota della missione, che guida l’Orbiter come se fosse un aeroplano. A 610 m di quota la fusoliera viene inclinata con il muso verso l’alto in modo da rallentare la discesa, e ha luogo l’atterraggio. Per frenare il velivolo, che tocca terra a una velocità di 340-360 km/h, entrano quindi in funzione i freni e un sistema di paracadute.

All’equipaggio non resta quindi che portare a termine le operazioni di spegnimento dei sistemi, operazioni che richiedono circa 20 minuti. A questo punto la missione si può dire conclusa.

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Le prime missioni

I primi test di struttura e di volo planato furono effettuati a partire dal 1976 su uno shuttle esclusivamente dedicato alla sperimentazione, l’Enterprise, il cui nome si ispirava all’astronave della serie di fantascienza Star Trek. Il primo volo orbitale vero e proprio fu quello del Columbia, nell’aprile del 1981 (il nome in questo caso celebrava una delle prime navi che, nel 1836, compì la circumnavigazione del globo). Nell’aprile 1983 fu il Challenger a compiere il suo volo inaugurale, mentre nel novembre dello stesso anno fu portato in orbita per la prima volta lo Spacelab, il laboratorio realizzato dall’ESA, l’Agenzia spaziale europea, per svolgere esperimenti in condizioni di microgravità a bordo dello shuttle.

Altri momenti significativi delle missioni furono la prima riparazione di un satellite in orbita (il Solar Maximun Satellite) nell’aprile del 1984; il primo recupero di satelliti dalle orbite (Palapa e Westar) e il loro rientro a Terra nel novembre del 1984; e il primo lancio assistito manualmente dallo spazio di un satellite (Syncon IV-3), dopo il recupero e la riparazione in orbita del satellite Leasat, nell’agosto del 1985. Dal gennaio del 1986 il programma shuttle fu sospeso per circa tre anni per valutazioni e modifiche, in seguito all’esplosione nello spazio della navicella Challenger.

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Il disastro del Challenger

Il 28 gennaio 1986 il Challenger esplose poco dopo il lancio e nell’incidente persero la vita tutti i membri dell’equipaggio. Il cedimento di una guarnizione di un giunto di uno dei due razzi a combustibile solido fu la causa principale della tragedia. I razzi sono realizzati in quattro sezioni cilindriche, che devono essere completamente sigillate tra loro per evitare la fuga dei gas surriscaldati, prodotti dalla combustione del carburante. Il clima rigido del giorno rese fragile la gomma di una guarnizione nel giunto tra i due segmenti inferiori del razzo di destra, e ciò, in concomitanza col progetto difettoso del giunto stesso, permise la fuga di gas rovente prodotto dalla combustione. I gas e le fiamme intaccarono il metallo che manteneva il razzo in posizione; si sfondò il fianco del serbatoio esterno e l’idrogeno e l’ossigeno liquidi si mescolarono in una violenta esplosione.

Ai primi di febbraio del 1986 il presidente degli Stati Uniti Ronald Reagan istituì una Commissione per l’incidente dello space shuttle Challenger, che venne presieduta da William P. Rogers. Ne fecero parte, tra gli altri, Neil Armstrong, il primo uomo a posare piede sulla Luna, e il grande fisico statunitense Richard Feynman. Contemporaneamente fu attivata una task force della NASA per l’analisi dei dati e del progetto del Challenger. Oltre 6000 persone furono coinvolte nelle indagini della commissione sull’incidente e circa 15.000 pagine di verbali furono trascritte nel corso delle udienze pubbliche o private, prima che il rapporto finale venisse pubblicato e consegnato al presidente, il 6 giugno 1986.

Nel periodo che seguì l’incidente furono apportate al sistema centinaia di modifiche grandi e piccole, molte delle quali erano state pianificate già prima del disastro. I razzi furono completamente riprogettati e un nuovo dimensionamento dei giunti superò severi esami e revisioni; anche i motori principali dello space shuttle furono sottoposti a un meticoloso programma di test.

Tutti i miglioramenti del motore furono certificati per dimostrare l’aumento di affidabilità e dei margini di sicurezza di funzionamento, e notevoli innovazioni vennero apportate ai motori delle navicelle Discovery, Columbia, Atlantis ed Endeavor.

Nel 1986 fu fondato l’Office of Safety, Reliability, Maintainability and Quality Assurance, che tuttora ha un’autorità diretta sulla sicurezza e i relativi controlli di qualità di tutte le attività della NASA. Oggi più personale qualificato è assegnato alla sicurezza e ai programmi correlati, e il sistema di revisione della conformità alle nuove procedure è rigoroso e ben definito.

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La ripresa delle attività

Dal disastro del Challenger del 1986 sono state portate a termine oltre cinquanta missioni. Le più significative furono le missioni scientifiche collegate ai lanci di alcune astronavi esplorative: la Magellano (maggio 1989), una sonda progettata per il rilievo radar del pianeta Venere; la Galileo (ottobre 1989), astronave senza equipaggio che raggiunse Giove nel dicembre del 1995; la Ulisse (ottobre 1990), sonda per lo studio del Sole; e il telescopio spaziale Hubble (aprile 1990), progettato per eseguire osservazioni astronomiche fuori dall’atmosfera terrestre.

Nel dicembre del 1993 fu portata a termine con successo la prima missione di servizio del telescopio spaziale, che prevedeva la correzione delle ottiche, risultate difettose, e il perfezionamento dei sistemi elettronici. Nel luglio del 1995 la navicella Atlantis si agganciò alla stazione orbitante russa Mir, portando a termine il primo dei sette agganci shuttle-Mir programmati tra il 1995 e il 1997.

Il primo attracco alla Mir fu forse l’evento più significativo nella storia dei voli spaziali dopo il simbolico incontro tra le astronavi Apollo e Soyuz di vent’anni prima; segnò infatti l’inizio di una nuova era di cooperazione nello spazio. Dopo le cerimonie seguite all’incontro e all’attracco dell’Atlantis con la Mir, i due gruppi di astronauti avviarono alcune giornate di analisi scientifiche nel modulo Spacelab trasportato nel vano di carico della navicella.

Dal dicembre 1997 la maggior parte delle missioni degli shuttle è dedicata alla costruzione della nuova Stazione spaziale internazionale (ISS). Dopo il suo completamento, le navicelle viaggeranno verso la nuova stazione per sostituire gli equipaggi, consegnare nuovi esperimenti e riportare a Terra i materiali usati. Gli shuttle, inoltre, continuano il servizio al telescopio spaziale Hubble, posizionano nuovi satelliti scientifici e, se necessario, recuperano quelli precedentemente lanciati.

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L’incidente del Columbia

Il 1° febbraio 2003 la prima navicella della flotta, il Columbia, andò distrutta nella fase di rientro dalla sua ventisettesima missione nello spazio. Nell’incidente persero la vita i sette membri dell’equipaggio: sei statunitensi – tra cui due donne – e il primo astronauta israeliano della storia. Causa dell’incidente fu una falla nel sistema di isolamento della navetta, creata dall’impatto con un pannello isolante staccatosi dal serbatoio durante il lancio. In fase di rientro, l’impatto della navicella con l’atmosfera sviluppa una quantità di calore tale da portare i materiali esterni dello shuttle a una temperatura di oltre 1600 °C; la falla ha portato alla fusione di parte dell’ala e alla conseguente distruzione del Columbia.

Dopo una sospensione dei voli di circa due anni e mezzo, la ripresa delle missioni ha avuto luogo il 26 luglio 2005, con la missione STS-114 della navicella Discovery. Durante il periodo di sospensione, parte delle operazioni previste dal programma di costruzione della Stazione spaziale internazionale è stata portata avanti dall’ente spaziale russo.