Sarah D’Souza, Ingegnere Aerospaziale della NASA, parla dello scudo termico di Orion

Abbiamo incontrato Sarah D’Souza, Ingegnere Aerospaziale e Vicedirettore del Sistema di Protezione Termica della navicella Orion, presso il NASA’s Ames Research Center di Mountain View, California (USA). La navicella Orion del programma Artemis della NASA, che ha effettuato il suo primo volo senza equipaggio il 16 novembre 2022 con la missione Artemis 1, ha l’obiettivo di riportare il prossimo uomo e la prima donna sulla Luna entro il 2025, con la missione Artemis 3 (nel 2024 ci sarà il primo volo con equipaggio verso l’orbita lunare con la missione Artemis 2). La navicella Orion, che può trasportare 2-6 astronauti, viene installata sulla sommità del nuovo mega razzo lunare “NASA’s Space Launch System (SLS)“, che è il razzo più grande del mondo e il più potente della storia (alto circa 100 metri).

Orion, dopo il lancio avvenuto il 16 novembre 2022 e dopo i vari test nell’orbita lunare, è rientrata sulla Terra l’11 dicembre 2022 alla velocità di circa 40.000 km all’ora (11 km al secondo). Uno dei momenti più rischiosi del ritorno sulla Terra è l’ingresso nell’atmosfera terrestre ad altissime velocità. L’attrito, che si genera con l’impatto con l’atmosfera terrestre, riduce la velocità della navicella fino a circa 500 km all’ora in pochi minuti. Questo impatto fa letteralmente bruciare la parte anteriore della navicella, alla temperatura di circa 2.800° Celsius. Per proteggere la navicella e il suo equipaggio dall’alta temperatura, Orion possiede uno speciale scudo termico. L’ingegnere della NASA Sarah D’Souza ci ha spiegato qualche caratteristica della protezione termica di Orion.

Una curiosità: Orion, durante l’ingresso nell’atmosfera terrestre, ha effettuato una nuova manovra, chiamata skip entry, cioè un “rientro a balzi” mai testato su un veicolo spaziale per umani. La navicella ha letteralmente saltato sull’atmosfera terrestre, prima di effettuare l’ingresso (un po’ come accade quando un ciottolo lanciato sulla superficie di un lago “rimbalza” sull’acqua).

Per conoscere tutte le caratteristiche dettagliate della navicella Orion clicca QUI.

Per quanto riguarda la nuova manovra di rientro “skip entry” testata dalla navicella Orion, perché è così importante eseguirla?

La tecnica del salto di rientro di Orion (skip entry) è importante perché ci permette di avere a disposizione un’ampia gamma di ingressi in atmosfera, dando a Orion un atterraggio preciso nel sito di atterraggio prestabilito o, in alternativa, un’ampia gamma di possibili siti di atterraggio alternativi. Inoltre, questo tipo di ingresso “a salti” ridurrà il carico di accelerazione per gli astronauti, affinché possano rientrare in modo più sicuro e fluido (gli astronauti di Orion percepiranno circa 4g, contro i 7-8g percepiti dagli astronauti delle missioni Apollo). Lo scudo termico di Orion è progettato per resistere a questa manovra.

Se Orion non eseguisse questa manovra, lo scudo termico non funzionerebbe?

Lo scudo termico funzionerebbe comunque, perché un ingresso senza salto (ingresso diretto) ridurrebbe il tempo passato in atmosfera. Anche in questo caso tutto rientrerebbe nelle performance dell’inviluppo dello scudo termico.

Le missioni Apollo, che dal 1969 al 1972 hanno portato i primi uomini sulla Luna, usavano un’altra manovra per il rientro sulla Terra?

Le missioni Apollo usavano l’ingresso diretto.

Quali sono le differenze più importanti tra lo scudo termico della navicella Orion e lo scudo termico del modulo di comando delle missioni Apollo? Avete usato gli stessi materiali?

Una delle differenze più importanti, tra i due scudi termici, è nel modo in cui sono stati costruiti. Lo scudo termico delle missioni Apollo aveva una struttura a nido d’ape, che veniva poi riempita manualmente dai tecnici con un materiale di protezione termica chiamato Avcoat. Orion, invece, è costituito da più blocchi solidi stampati in Avcoat, e installati sulla struttura principale in fibra di carbonio. Il metodo di lavorazione dello scudo termico di Orion, ricorda la posa delle piastrelle nelle nostre case, ma con materiali molto più spessi e resistenti. Per gli approfondimenti clicca QUI.

La navicella spaziale Orion è più grande del modulo di comando Apollo, quindi il rientro sulla Terra è differente rispetto a 50 anni fa. Quali sono state le difficoltà più importanti che avete incontrato, durante la progettazione dello scudo termico?

La parte più difficile è stata la progettazione e lo sviluppo delle tecniche di produzione e costruzione dello scudo termico. Abbiamo dovuto sviluppare metodi che garantissero che non vi fossero anomalie nei blocchi stampati in Avcoat, in modo che le prestazioni termiche non venissero degradate. E non solo: dovevamo garantire che tutti i blocchi in Avcoat aderissero correttamente alle strutture, in modo che non cedessero sotto il carico intenso e l’estremo calore d’ingresso. Queste sono solo alcune delle principali sfide che i nostri ingegneri hanno affrontato per Orion.

Perché lo scudo termico della navicella spaziale Orion è più sicuro del pericoloso scudo termico dello Space Shuttle? Quali sono le differenze più importanti tra i due?

È importante notare che entrambi gli scudi termici, di Orion e del passato Space Shuttle, sono stati sottoposti a test molto rigorosi e approfonditi, per verificare che questi sistemi proteggano gli astronauti dal calore estremo del rientro. Una delle principali differenze tra questi due veicoli è che lo scudo termico dello Space Shuttle, era un sistema di protezione termica di tipo isolante riutilizzabile. Per quanto riguarda lo scudo termico di Orion, è un ablatore che viene utilizzato solo per un volo, quindi non è riutilizzabile. Gli scudi termici ablativi sono costituiti da un materiale progettato per bruciare quando rientra nell’atmosfera, portando il calore lontano dal veicolo spaziale. Lo scudo termico isolante (quello dello Space Shuttle) era costituito da materiali che inibivano il trasferimento del calore attraverso il sistema di protezione termica e, soprattutto, impedivano il trasferimento di calore alla struttura sottostante del veicolo.

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Gli scudi termici utilizzati per le missioni su Marte vi hanno aiutato nella progettazione dello scudo termico per la navicella Orion?

Fa parte dei programmi di volo della NASA condividere le informazioni apprese, durante le varie missioni spaziali. Tuttavia, ci sono alcune differenze fondamentali nei requisiti tra una missione robotica su Marte e una missione con equipaggio sulla Terra. Queste differenze rendono unici i progetti di ciascuno dei due sistemi di scudo termico.

• Cover image credit: NASA