Ares I: instabilità di combustione, termine prime analisi e proposte

Il logo di AstronautiNEWS. credit: Riccardo Rossi/ISAA
Il logo di AstronautiNEWS. credit: Riccardo Rossi/ISAA

Una delle difficoltà che sono emerse negli ultimi tempi durante la progettazione del nuovo vettore Ares I riguarda l'instabilità di combustione all'interno del primo stadio solido del lanciatore.
Il problema è ben conosciuto dal punto di vista teorico e tipico di questo tipo di propulsione, nel caso dell'Ares I, con 5 segmenti di SRB il problema sorge con l'oscillazione della pressione nella camera interna provocando fenomeni di risonanza sull'intera struttura del vettore.
La nascita del fenomeno è da ricercarsi all'interno dello stadio, dove i vortici che scorrono all'interno della camera di combustione sono generati dalle discontinuità nel propellente solido.
Il problema non è grave se non si raggiungono frequenze pari o frazione esatta del modo di vibrazione dell'intera struttura. A quel punto nascono fenomeni di risonanza che possono creare gravi problemi all'intero lanciatore.
Attualmente non è ancora chiaro quale sia la gravità del problema a causa dell'assenza di test reali in volo, si stanno però cercando possibili soluzioni da mettere in atto per prevenire il problema.
Lo scorso anno, a seguito delle prime analisi strutturali è venuto alla luce un possibile problema con le frequenze di risonanza del lanciatore con le instabilità di combustione, soprattutto ad alti carichi dell'upper stage e quindi per la capsula Orion.
E' quindi iniziata un'analisi approfondita della questione e ci si è resi subito conto della mancanza di dati oggettivi ricavati da prove in volo in quella configurazione, i quali avrebbero semplificato enormemente l'analisi.
Il database consisteva nei dati completi di appena 4 missioni (da STS-1 a STS-4) e parziali di una quinta (STS-9), ma soprattutto nessun dato nella configurazione attuale del progetto a 5 segmenti.
Da questo si è decisono di istituire un Tiger Team apposito, incaricato di analizzare il problema nella maniera più approfondita possibile e proporre delle modifiche per scongiurare il problema definitivamente.
Le prime conclusioni hanno rilevato che le frequenze di vibrazione sono dipendenti dal livello acustico all'interno della camera di combustione, dalla lunghezza e dalle proprietà fisiche del gas.
Il problema era capire come questi parametri influissero specificatamente su questo vettore.
Problemi di instabilità esistono anche sui SRB dello shuttle, ma il complesso è in pratica insensibile alle frequenze provocate.
La difficoltà di analisi è poi sorta nuovamente scnedendo nello specifico del progetto in quanto non ancora definito stabilmente e soggetto a variazioni. Le stesse analisi erano comunque state eseguite su precedenti vettori, quali i vari Ariane, Taurus e Pegasus con lo stesso intento.
Alla fine di questa prima analisi si è rilevato che il limite fisico per l'equipaggio a quelle frequenze è di 0.6G mentre è consigliabile un livello al di sotto di 0.25G per far si che l'equipaggio possa lavorare normalmente.
Dopo questa prima analisi il problema era ufficialmente diventato il primo da risolvere dell'intero progetto con carichi oltre i limiti per capsula, equipaggio e upper stage.
La prima richiesta del Tiger Team è stata quella di nuovi dati reali sui SRB, per questo tutta la strumentazione verrà re-installata per la missione STS-125 in modo da avere dati attuali e più precisi.
Intanto sono state pensate alcune soluzioni da poter mettere in atto per la completa risoluzione del problema.
La proposta più probabile e radicale emersa alla luce nel caso non si riuscisse a scendere al di sotto dei limiti fisici imposti è quella di ridurre nuovamente il primo stadio solido a 4 segmenti che tornerebbe ad essere del tutto simile agli attuali SRB e raddoppiare (o come ipotesi più remota triplicare) i propulsori sull'upper stage per compensare la perdita di spinta.
La possibilità di ridurre la causa del problema dalla fonte, eliminando le oscillazioni della pressione, viene classificata come ad alto rischio e improbabile nella sua realizzazione.
Per cui è necessario analizzare il problema e cercare di attenuarlo fino a livelli accettabili.
La soluzione che sembra più applicabile è quella che porterebbe ad un livello di frequenze accettabili modificando le frequenze critiche di circa il 10% intervenendo sulla struttura, inserendo poi diversi smorzatori lungo tutto il lanciatore, in particolare fra upper stage e inter-stage, fra upper stage e Orion e sui sedili dell'equipaggio. In parallelo un irrobustimento della struttura dell'upper stage e un isolamento di tutte le apparecchiature sensibili.
La decisione se intervenire in questa direzione non è ancora stata presa, pare però che le prime analisi fossero sensibilmente pessimistiche sui livelli raggiungibili durante il volo e dai risultati dell'analisi pubblicata nei giorni scorsi sono stati analizzati gli impatti del problema su ogni componente.
In particolare per i propulsori di tutti gli stadi non ci sono problemi con gli attuali livelli, il serbatoio del LOX dell'upper stage necessita un irrobustimento nella parte superiore e alcuni serbatoi di Orion necessitano irrobustimenti nel SM attualmente progettato per carichi +4/-0.5G.
Le dinamiche del propulsore interno del primo stadio sono oggi comprese meglio che all'inizio dell'analisi, rimangono però ancora da svolgere alcuni test in scala per completare i dati.
Rimangono poi da raccogliere i dati reali durante un volo shuttle per capire le differenze fra test a terra e funzionamento reale.
La situazione è ancora decisamente fluida e nessuna decisione ancora presa, con i dati necessari che saranno accumulati almeno fino ad Ares I-Y nel 2011 con la possibilità di vedere un irrobustimento generale e un depotenziamento del primo stadio come soluzione concreta al problema.
Sicuramente questo porterà ad un aumento di peso, per cui nel prossimo anno sarà necessario rivedere alcune parti del progetto per continuare ad avere le prestazioni necessarie per la ISS e la Luna.
Con l'attuale design per ora non è possibile prevedere se le frequenze possano scendere abbastanza da non creare problemi all'equipaggio per cui si continuerà a valutare anche questa l'ipotesi 4 segmenti/2 J2-X.
Da notare che in fase di analisi sono state considerate che configurazioni a 5.5 segmenti o 3 propulsori per l'upper stage, entrambe però sono state per ora classificate come improbabili e poco applicabili.
I risultati definitivi non arriveranno comunque prima di Ares I-X e Orion 1 i quali avranno a bordo tutte le attrezzature per analizzare i dati per l'impiego operativo umano del nuovo vettore.

Alberto Zampieron

Appassionato di spazio da sempre e laureato in ingegneria aerospaziale al Politecnico di Torino, è stato socio fondatore di ISAA. Collabora con Astronautinews sin dalla fondazione e attualmente coordina le attività fra gli articolisti.