mercoledì 26 luglio 2023 · 0 min read
Testare il razzo Saturn V. - Come lo hanno fatto?
Introduzione
Con un'altezza di 363 piedi (111 metri) pari a quella di un edificio di 36 piani e con una massa totale di circa 6,5 milioni di libbre (2,9 milioni di chilogrammi) al momento del lancio - all’incirca il peso di 400 elefanti - Il Saturn V era il razzo più grande e potente mai costruito.
Il razzo Saturn V ha svolto un ruolo fondamentale nel trasporto di astronauti sulla Luna durante le sei missioni Apollo, incluso lo storico allunaggio del 1969. Ad oggi, rimane l'unico razzo ad aver trasportato esseri umani oltre l'orbita terrestre bassa. Nel 1973, è stata utilizzata una versione a due stadi per lanciare la stazione spaziale Skylab. Quella fu l'ultima volta in cui un Saturn V è stato utilizzato. Successivamente, un razzo Saturn 1B è stato impiegato per mettere in orbita una sezione più piccola dello Skylab. Il Saturn V è stato sviluppato presso il Marshall Space Flight Center della NASA, situato a Huntsville, in Alabama, nel sud degli Stati Uniti.
Oltre ai cinque potenti motori F-1, il Saturn V vantava altri importanti progressi tecnologici, come un design a più stadi e complessi sistemi di guida e controllo. L'integrazione di così tante tecnologie innovative in un singolo veicolo, cruciale per le missioni spaziali, richiedeva un programma di test altrettanto complesso e rigoroso. Di conseguenza, gli ingegneri della NASA hanno sviluppato un ampio e completo programma di test per garantire l'affidabilità e le prestazioni del razzo.
Il progetto del Saturn V era estremamente complesso e di dimensioni così imponenti che non poteva essere gestito da una singola azienda. Di conseguenza, la NASA affidò il lavoro alle migliori e più grandi aziende aerospaziali americane, designandole come principali appaltatrici. Oltre a queste, furono coinvolte decine di appaltatori secondari e centinaia di aziende più piccole. Nel complesso, circa 20.000 aziende e circa mezzo milione di persone lavorarono sui programmi Saturn V ed Apollo durante gli anni '60 e '70.
L'appaltatore principale, Boeing, fu incaricato di costruire il primo stadio (S-IC) del razzo Saturn V, mentre il secondo stadio (S-II) fu affidato a North American Aviation. La Douglas Aircraft Company si occupò della costruzione del terzo stadio (S-IVB), mentre IBM progettò e realizzò l'anello degli strumenti che comprendeva i computer, i sistemi di guida ed altro ancora.
I giganteschi motori a razzo F-1 del primo stadio ed i motori J-2 del secondo stadio furono costruiti da Rocketdyne. Ogni motore F-1 misurava 19 x 12,5 piedi (5,8 x 3,81 metri) all'uscita dell'ugello. Questi motori bruciavano 15 tonnellate di ossigeno liquido e cherosene al secondo. Il sistema di propulsione F-1 generava una spinta di 34,5 milioni di newton (7,6 milioni di libbre) durante il lancio.
La North American Aviation fu responsabile della costruzione del modulo di comando e servizio dell'Apollo, mentre la Grumman progettò e costruì il modulo lunare. Spettava alla NASA gestire queste diverse attività ed integrarle in un'unica astronave in grado di gestire l'intera missione.
L'ex scienziato tedesco Wernher von Braun fu segretamente reclutato nell'esercito degli Stati Uniti dopo la Seconda guerra mondiale per contribuire alla progettazione dei missili balistici americani e dei razzi per il lancio di satelliti. Nel 1960, il suo gruppo fu incorporato nella NASA e fu nominato direttore del Marshall Space Flight Center della NASA, situato a Huntsville, in Alabama. Von Braun rimase direttore fino al 1970, supervisionando lo sviluppo del programma Apollo ed il successo dell'allunaggio dell'Apollo XI nell'estate del 1969, quando per la prima volta gli esseri umani posarono piede sulla Luna.
I principali metodi e procedure di test utilizzati per il razzo Saturn V includevano:
Test di accensione statica
Test di separazione a stadi
Test dinamici
Voli di prova Apollo-Saturn V
Test in galleria del vento
Test di accensione statica
Per convalidare le prestazioni dei motori del Saturn V, sono stati condotti una serie di test di accensione statica. In un test statico ad accensione a caldo, il razzo viene fissato ad una piattaforma di lancio in modo che non possa volare. Successivamente, i motori vengono avviati e vengono effettuate misure sulle prestazioni dei motori.
La fase iniziale del razzo, nota come S-IC, fu sottoposta al suo primo test nel 1965 presso il Marshall Space Flight Center in Alabama, il luogo in cui era stata sviluppata. La NASA condusse test esaustivi utilizzando motori F-1, che non erano destinati al volo, raccogliendo dati dettagliati per un periodo di mesi.
In seguito, i test dei motori della prima e seconda fase furono trasferiti alla nuova "Mississippi Test Facility", ora conosciuta come lo Stennis Space Center della NASA. Durante gli anni '70 e '80, Stennis ha svolto anche i test dei motori dello Space Shuttle statunitense. Più recentemente, Stennis ha condotto test sui motori del sistema di lancio spaziale (SLS) per il programma spaziale Artemis della NASA.
Durante i test statici ad accensione a caldo, i sensori venivano posizionati su tutte le parti del razzo ed oltre 1200 misure venivano trasmesse agli strumenti di registrazione nel blockhouse. I dati venivano acquisiti tramite computer e successivamente formattati per essere registrati su nastro magnetico e registri a strisce. Questo permetteva la visualizzazione grafica in tempo reale dei dati dei sensori. Oltre all'accensione dei motori, questi venivano anche inclinati (ruotati su diversi assi) per testare la loro capacità di controllare il razzo durante il volo.
Figura 5. Schermata tratta dal video "Guarda un test di accensione della prima fase del Saturn V!
Test di separazione a stadi
Unendo i test a terra, i test di volo senza equipaggio e le missioni in diretta, la NASA ha garantito una valutazione e convalida accurata della separazione a stadi del razzo Saturn V. Questi test coinvolgevano l'utilizzo di cariche esplosive per simulare gli eventi di separazione, al fine di verificare che le fasi del razzo si separassero in modo pulito e senza problemi strutturali.
La separazione a stadi era un processo complesso che richiedeva un tempismo preciso per garantire la sicurezza ed il successo della missione. Un componente fondamentale era l'anello di strumentazione dell'IBM posizionato sopra la terza fase, che fungeva da "cervello" del Saturn V. Unità di sparo pirotecniche, dette anche "EBW (explosive bridge wire)", sono state utilizzate per separare ogni stadio ed anello interstadio dalla navicella nel momento in cui il loro compito poteva dirsi concluso.
I piccoli razzi di "ullage" posti sullo stadio superiore venivano attivati per un periodo di tempo adeguato al fine di garantire l'accelerazione necessaria per mantenere un flusso uniforme del carburante ed accendere la prossima fase. Allo stesso tempo, i retrorazzi situati sulla fase esausta venivano attivati per un periodo di tempo sufficiente a rallentare la fase, aumentando la distanza di separazione dal resto del razzo.
Inoltre, la NASA aveva previsto l'utilizzo di un anello di interstage posizionato tra la prima e la seconda fase del razzo. Questo anello doveva essere separato e rimosso in modo preciso per evitare danni al veicolo spaziale a causa di detriti o possibili collisioni durante la separazione.
Va notato che la NASA ha effettuato dieci lanci delle navicelle spaziali Saturn I, più piccole, nel corso di quattro anni, come test per le tecnologie richieste dal potente Saturn V, progettato per raggiungere la Luna. I lanci dei razzi Saturn I e dei razzi Saturn IB potenziati hanno fornito alla NASA preziose informazioni per perfezionare la dinamica dei carburanti liquidi ed il design multistadio necessari per il più grande razzo Saturn V.
Dopo questi test, la NASA ha proceduto al lancio delle missioni non abitate Apollo 4 (AS-501) ed Apollo 6 (AS-502) per testare il veicolo di lancio del Saturn V e le sue tre fasi. Durante questi voli, sono stati impiegati sensori e strumentazione appositi per monitorare e registrare i dati relativi al comportamento delle fasi del razzo durante la separazione.
Test dinamici
La NASA ha condotto test dinamici per valutare l'integrità strutturale del Saturn V durante le intense vibrazioni e gli urti durante il lancio. Sono state eseguite misure precise delle vibrazioni e delle sollecitazioni sperimentate durante le fasi di decollo e di volo. I test hanno simulato le condizioni reali per garantire che il razzo potesse resistere agli stress ed alle vibrazioni senza subire danni strutturali. Inoltre, sono stati indotti degli urti per simulare l'effetto pirotecnico degli esplosivi utilizzati per separare le fasi del razzo.
Gli ingegneri della NASA hanno condotto test approfonditi sul razzo Saturn V per valutare il suo comportamento strutturale ed identificare eventuali debolezze. Questi test includevano vibrazioni modali, sinusoidali, casuali e shock pirotecnici. I dati ottenuti da questi test sono stati fondamentali per guidare ulteriori affinamenti del design. Grazie a queste informazioni, sono state apportate le necessarie modifiche per garantire l'integrità strutturale del razzo durante le intense vibrazioni sperimentate durante il lancio e l'ascesa.
Il Saturn 500F era una versione di prova a grandezza naturale del razzo Saturn V, ma non era destinato ad essere lanciato nello spazio. Era un razzo completo e poteva essere utilizzato per una serie di test, ad eccezione del volo reale. Nel giugno 1966, il Saturn 500F si trovava sulla piattaforma di lancio presso il Kennedy Space Center quando l'uragano Alma si avvicinò alla zona.
Forse a causa di questo episodio, la NASA decise di testare il comportamento del razzo Saturn V in presenza di forti venti. A tale scopo, lo ricondussero nel Vehicle Assembly Building (VAB) alla velocità abituale di 1 MPH (1,6 KPH) e pianificarono di sottoporlo a vibrazioni. Ma come? Poiché non erano disponibili meccanismi adatti per questa operazione, la NASA, seguendo il suo caratteristico approccio innovativo, trovò una soluzione unica: impiegò la forza umana.
Decine di membri del personale della NASA spingevano con le gambe alla base del veicolo, mentre altri sul punto più alto tiravano una corda per fare oscillare l'enorme struttura sulla sua base. Questo esercizio permetteva di rivelare le frequenze naturali del Saturn V. Durante tale procedura, vennero effettuate misure per garantire che tali stimoli meccanici non avrebbero causato il rovesciamento del Saturn V se fosse stato posizionato sulla piattaforma di lancio durante forti venti.
Durante lo shake test, si è verificato il distacco di un'ampia porzione della struttura di salvataggio degli astronauti situata nella parte superiore del veicolo spaziale. Tuttavia, fortunatamente, nessuno è rimasto ferito.
Figura 7. Video “Shaking the Saturn 500F”
Nel 1970, la NASA utilizzava modelli in scala del Saturn V per effettuare analisi modali. Presso il Langley Research Center della NASA, sono state condotte una serie di indagini utilizzando un modello in scala 1/10 per eseguire analisi di vibrazione laterale in caduta libera.
Voli di prova Apollo-Saturn V
Prima delle missioni lunari Apollo effettive, il razzo Saturn V venne lanciato in voli di test non abitati, noti come missioni Apollo-Saturn V (AS). Queste missioni comprendevano Apollo 4 (AS-501), Apollo 6 (AS-502) ed il volo di test finale, Apollo 8 (AS-503). Attraverso questi voli, la NASA ha potuto testare le prestazioni del Saturn V in un ambiente operativo prima di imbarcare gli astronauti a bordo del veicolo spaziale.
Test in galleria del vento
Il NASA's Marshall Space Flight Center ha costruito un modello del razzo Saturn V in acciaio inossidabile appositamente per i test in galleria del vento. Questi test sono essenziali per valutare le caratteristiche aerodinamiche delle navicelle spaziali, similmente a quanto avviene per aeromobili, automobili e camion. Poiché le navicelle spaziali devono attraversare l'atmosfera prima di raggiungere lo spazio vuoto, è fondamentale anche comprendere il loro comportamento aerodinamico. Il modello aveva dimensioni di 426,7 x 54,6 cm (14 piedi x 21,5 pollici) ed un peso di 362,9 kg (800 libbre).
I test del modello in galleria del vento sono stati condotti all' Hypervelocity Ballistic Range G presso la base aerea di Arnold nel 1967. Al fine di simulare le condizioni di rientro, sono stati eseguiti anche test specifici in galleria del vento. Durante questa serie di test, emersero problemi di surriscaldamento nella parte inferiore del razzo Saturn V, che hanno richiesto modifiche alle bocchette di scarico della turbina.
Strumentazione e raccolta dati
L'anello di strumentazione del Saturn V era posizionato tra il terzo stadio ed i moduli di servizio e comando Apollo. Questo anello ospitava diversi componenti cruciali, tra cui il sistema di guida, un computer digitale, un computer analogico per il controllo di volo, sistemi di rilevamento delle emergenze (EDS), una piattaforma inerziale stabile dotata di accelerometri e giroscopi, un sistema RADAR, un sistema di comando radio, il sistema di alimentazione, la telemetria ed altri importanti sottosistemi.
Il razzo Saturn V era dotato di centinaia di sensori che monitoravano l'accelerazione, le temperature, le pressioni e le vibrazioni. Questi sensori svolgevano un ruolo critico all'interno dei sistemi di rilevamento delle emergenze (EDS), poiché erano in grado di rilevare eventuali deviazioni dai valori ottimali dei parametri fisici. Nel caso in cui si fosse verificata una situazione anomala, i dati registrati dai sensori potevano essere trasmessi a terra tramite telemetria.
Telemetria, registrazioni su nastro e grafici
La parola "telemetria" è una combinazione delle radici greche "tele" (lontano o remoto) e "metron" (misurare). Pertanto, il processo di misura ed invio di dati ad un cliente remoto è chiamato telemetria. Questo processo è stato utilizzato per inviare circa 200 parametri dal Saturn V alla NASA prima e durante ogni missione, nonché durante i test. La telemetria era essenziale per il controllo pre-lancio, la verifica dei comandi, il monitoraggio della missione e l'analisi post-missione. La NASA doveva essere in grado di monitorare l'accelerazione, la velocità angolare, il flusso di carburante, la posizione, la pressione, la temperatura, la tensione, la corrente, la frequenza ed altri parametri cruciali del veicolo spaziale durante tutte le fasi della missione.
L'anello di strumentazione era costituito da quattro scaffali di misura, ciascuno dei quali ospitava 20 condizionatori di segnale. Questi condizionatori di segnale erano impiegati per acquisire le letture grezze provenienti dai sensori e convertirle in unità di misura ingegneristiche significative. Successivamente, i segnali venivano digitalizzati ed indirizzati al canale corrispondente nel flusso di dati telemetrici.
Per gestire i 200 canali di misura, la NASA utilizzava due collegamenti telemetrici. Poiché la larghezza di banda di trasmissione era limitata, i dati venivano multiplexati utilizzando sia tecniche PCM/FM (modulazione a codice di impulsi/modulazione di frequenza) che FM/FM. I dati venivano ricevuti da una serie di stazioni di tracciamento posizionate in tutto il mondo. Indipendentemente dalla posizione della Terra, almeno una stazione riceveva i dati e li ritrasmetteva al centro di controllo delle missioni della NASA a Houston, in Texas.
I dati venivano generalmente memorizzati su registratori a nastro per strumentazione. Se gli ingegneri della NASA desideravano visualizzare questi dati in tempo reale, potevano utilizzare convertitori DAQ (Convertitori Digitali-Analogici) e successivamente inviarli agli ingressi analogici di registratori a tracciato su carta di grandi dimensioni. La NASA disponeva di centinaia di questi registri a carta presso le proprie strutture negli Stati Uniti.
Data was typically stored on instrumentation tape recorders. If NASA engineers wanted to view this data in real-time, it could be routed through DAQs (Digital to Analog Converters) and then routed to the analog inputs of large format strip chart recorders. NASA had hundreds of these paper recorders at its facilities around the USA.
La NASA impiegava una varietà di registri, tra cui registri a strisce, a tamburo ed ad eventi, per la registrazione dei dati. Questi includevano registri lenti ed ad alta velocità prodotti da Honeywell, come oscillografi a fascio luminoso, registri ad eventi a 200 canali e registri a strisce oscillografiche di formato ampio a 8 canali Brush/Gould. Molti di questi registri erano posizionati direttamente nella sala di lancio per l'osservazione durante e dopo il lancio.
I registri "paper drum" Teledyne Helicorder RV-30H sono stati utilizzati per la registrazione dei dati sismici a lunga durata.
Test di integrazione dei sistemi
La NASA ha sottoposto il razzo Saturn V ad estesi test di integrazione dei sistemi al fine di garantire il corretto funzionamento e l'armonia tra tutti i componenti ed i sistemi. Questi test hanno incluso valutazioni dei sistemi elettrici del razzo, del carico di propellente, dei sistemi di comunicazione e di altri sottosistemi, sia individualmente che in combinazione.
Innanzitutto, ciascuno dei blocchi di propulsione del Saturn V, ovvero il S-IC (primo stadio), il S-II (secondo stadio) ed il S-IVB (terzo stadio), è stato sottoposto ad una rigorosa serie di test per garantire il corretto funzionamento dei suoi principali sistemi, che comprendono propulsione, guida, controllo, sistema elettrico e strumentazione.
Dopo l'assemblaggio dei tre stadi del Saturn V nel Vehicle Assembly Building (VAB) presso il Kennedy Space Center in Florida, sono stati condotti test specifici per verificare l'allineamento e la compatibilità delle interfacce elettriche e meccaniche tra i diversi stadi. Questi test includono la verifica delle connessioni di carburante ed elettriche, delle interfacce avioniche e dei meccanismi di separazione. Sono state simulate le sequenze di conto alla rovescia e di lancio per convalidare il coordinamento e la sequenza di tutti i sistemi rilevanti.
Analisi post-volo
Dopo ogni volo di prova, è stata effettuata un'analisi approfondita post-volo al fine di valutare le prestazioni del razzo ed identificare eventuali anomalie o aree di miglioramento. Questa analisi ha coinvolto lo studio dei dati telemetrici raccolti durante il volo, l'ispezione dei componenti recuperati dal razzo ed il debriefing con gli astronauti e gli specialisti di missione. Tutti questi dati sono stati confrontati con gli obiettivi complessivi della missione. Le lezioni apprese da ogni volo sono state applicate alla missione successiva, con l'obiettivo di perseguire un miglioramento continuo delle prestazioni e dell'affidabilità del razzo.
Sottoponendo il razzo Saturn V a queste rigorose procedure di test, la NASA è stata in grado di misurare accuratamente le sue prestazioni, convalidare l'integrità dei suoi sistemi ed affrontare eventuali problemi di adattamento, prestazioni o affidabilità che sono stati scoperti. Il programma di test della NASA ha svolto un ruolo fondamentale nel garantire il successo del programma Apollo e nella salvaguardia della sicurezza degli astronauti.
L'eredità del Saturn V va ben oltre le sue storiche missioni sulla Luna. Questo razzo ha rappresentato un importante punto di svolta nella tecnologia dei razzi e ha gettato solide basi per i futuri programmi di esplorazione spaziale. Le lezioni apprese dal suo sviluppo ed utilizzo continuano ad influenzare il design dei razzi attuali e futuri.
Il Saturn V è senza dubbio un simbolo duraturo dell'ambizione, dell'innovazione e dello spirito dell'esplorazione umana. Questo maestoso razzo ha consentito all'umanità di raggiungere nuove vette nel campo dell'esplorazione spaziale e ha aperto la strada per l'approfondimento della nostra comprensione dell'universo.
Riferimenti
Non-flight-rated F-1 engines tested at NASA Marshall Space Flight Center
Flight-rated F-1 engines tested at NASA Stennis Space Center
Watch a Saturn V First Stage Test Firing! | Historic Video (YouTube)
Apollo 4 & 6: First Saturn V Test Flights - Historical Footage, 1967, A-type missions, CSM, NASA
How NASA Built The Rocket That Went To The Moon | The Saturn V Story | Spark
Power for Apollo Saturn V - Remastered NASA documentary - Engine tests and rocket development
To the Moon: Boeing, the builder of the mighty Saturn V Apollo rocket