La NASA certifica il motore per le future missioni Artemis
Dopo aver completato con successo 45 test di sviluppo e 24 test di certificazione presso lo Stennis Space Center della NASA situato nei pressi di Bay St. Louis, Mississippi, la Aerojet Rocketdyne, una compagnia della L3Harris Technologies e la NASA, lo scorso 3 aprile hanno concluso la serie dei test di accensione richiesti per certificare le nuove versioni del motore RS-25 per il razzo SLS (Space Launch System) dell’agenzia statunitense. Questi motori verranno usati nelle missioni Artemis, a iniziare dal quinto volo dell’SLS.
Quattro motori a propellente liquido RS-25 della Aerojet Rocketdyne, con una spinta complessiva di poco più di 900 tonnellate, sono la dotazione propulsiva dello stadio centrale (Core Stage) dell’SLS al momento del lancio. Le prime quattro missioni dell’SLS stanno utilizzando i motori RS-25 avanzati dal programma dello Space Shuttle della NASA, i quali sono stati rimessi a nuovo e dotati di moderni computer di volo e avioniche.
«Al termine del Programma Space Shuttle, la NASA aveva a magazzino 16 motori, che servono appunto per quattro voli del razzo SLS» ha esordito direttore del programma RS-25 per l’Aerojet Rocketdyne. «Per garantire l’operatività dei voli seguenti, il nostro team è stato impegnato nella progettazione e nella costruzione di una versione modernizzata dell’RS-25 che è più affidabile senza però andare a sacrificare la sua eccezionale affidabilità. Se poi dovessimo riuscire anche ad aumentarne le prestazioni, sarà ancora meglio».
I nuovi motori funzioneranno al 111% del livello di spinta nominale per l’SLS, quindi superiore rispetto a quanto ottenuto per lo Shuttle, dove operavano al 104,5%, e alle prime quattro missioni del programma Artemis, in cui funzioneranno al 109%.
Dal momento in cui gli RS-25 hanno servito per 135 voli dello Shuttle, il team ingegneristico era ben conscio di andare a mettere le mani su di un progetto solido, affidabile e soprattutto man-rated, ovvero certificato per il trasporto di astronauti. Quindi, si è proceduto andando a identificare quelle parti che potevano essere riprogettate, semplificate e migliorate. Al termine di questo minuzioso processo, circa il 70% dei componenti di un RS-25 di nuova produzione, sono dei progetti aggiornati i quali, assieme agli altri componenti principali, sono stati testati ben al di là dei loro limiti operativi nominali. L’introduzione di componenti riprogettati, ha richiesto la rimessa in funzione di catene di fornitori e di linee produttive sparse in tutto il territorio statunitense.
Ecco alcuni dei principali componenti riprogettati del nuovo RS-25.
Pogo Accumulator
Uno dei primi elementi a essere aggiornato è stato il Pogo Accumulator Assembly, che è stato realizzato con la tecnologia della manifattura additiva, o stampa 3D. Il “Pogo”, che ha le dimensioni all’incirca di una palla da spiaggia, è un componente complesso e critico in grado di smorzare le oscillazioni di pressione che possono rendere instabile il volo. Infatti, durante la fase propulsa iniziale, un razzo può manifestare delle potenti vibrazioni longitudinali causate principalmente dal funzionamento dei propulsori e dallo scorrimento dei propellenti nelle linee di alimentazione. Questa anomalia viene detta effetto pogo.
Il Pogo Accumulator Assembly è in grado di regolare il movimento dell’ossigeno liquido nel motore, per prevenire queste vibrazioni che possono destabilizzare il volo del razzo. Gli ingegneri sono riusciti a ridurre il numero di saldature richieste per la sua costruzione del 78%, confermando che la stampa 3D è una tecnologia utilizzabile anche per la realizzazione di altri componenti, infatti ad oggi, sono una trentina i componenti del nuovo propulsore, realizzati con la stampa 3D.
Camera di combustione principale
Le camere di combustione principali (Main Combustion Chamber – MCC) dei nuovi RS-25 sono assemblate usando una tecnica di saldatura chiamata Hot Isostatic Pressing (HIP), la quale impiega la pressione elevata e il calore per creare dei legami fra parti del motore che possono affrontare impieghi altamente stressanti. Nel caso della MCC del RS-25, ovvero nel luogo in cui avviene l’accensione dei propellenti, si sviluppano temperature attorno ai 3.300 °C e pressioni di circa 200 atmosfere. Inoltre, la saldatura HIP è un processo più gestibile e ciò riduce notevolmente le variazioni del processo. La MCC ottenuta con la tecnologia HIP, rappresenta il più grande singolo miglioramento in termini di convenienza, incorporato nei nuovi RS-25, infatti esso dimezza sia il costo che le tempistiche del ciclo di fabbricazione in confronto alle medesime parti costruite ai tempi dello Space Shuttle.
Engine Controller
Il controller viene spesso indicato come il cervello del motore, perché esso traduce i comandi del veicolo nelle azioni del motore, monitorandone al contempo lo stato di salute. Questo dispositivo esegue aggiustamenti in tempo reale per controllare la spinta del motore e la percentuale di miscelazione dei propellenti, monitorando i parametri critici, come la velocità della turbopompa, le pressioni della combustione e la vibrazione del motore. Il nuovo controller ha una capacità di elaborazione 20 volte superiore a quella del suo omologo dell’era Shuttle, pesa il 50% in meno ed è molto più affidabile.
Ugello
Il team ingegneristico ha aggiornato anche l’ugello, il quale serve a dirigere la spinta del motore. L’ugello dell’RS-25 è in assoluto il componente più complicato e arduo da costruire. Esso deve affrontare temperature che vanno dai −252 °C dell’ossigeno liquido che scorre nei suoi condotti, e i 3.300 °C dei gas incandescenti che vengono prodotti a pochi millimetri da essi.
Gli ingegneri hanno saputo incorporare progressivamente nuovi strumenti e nuove tecniche di produzione, fin dalla prima unità prodotta con il nuovo progetto. Per esempio, fra la prima e la quarta unità, il team ha ridotto del 50% le ore di manodopera per l’impilamento dei tubi. Sulla quarta unità prodotta, il team ha battuto il proprio obiettivo di redditività del 17% riuscendo anche a ridurre i tubi di scarto del 90%, in comparazione alle tre unità precedentemente prodotte.
«Quando voliamo, vogliamo vedere il motore funzionare perfettamente. Quando eseguiamo i test, stiamo testando ai limiti estremi di operatività per assicurarci che i motori possano completare la missione con margine. Questo include diversi scenari ipotizzabili: alta potenza, bassa potenza, arresti di emergenza, spegnimento e accensione dell’impianto idraulico, ecc.» ha affermato Lauer. «Questa serie di test ha anche dimostrato la performance del propulsore alle condizioni non nominali, il che è critico per la sicurezza in volo del veicolo».
I motori sono stati messi alla prova con 69 test di accensione, per garantire che possano soddisfare le nuove esigenze prestazionali del nuovo blocco progettuale del razzo SLS, il Block 1B.
Filmato del test di accensione finale, durata 500 secondi. Questo test ha concluso la campagna di test iniziata nell’ottobre 2023.
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