The Moon Rocket (7) – Il Lancio

Questo post chiude la serie dedicata al Saturn V. Descriverò le varie fasi del volo di un Saturn V prendendo come riferimento Apollo 11, una tipica missione con destinazione la Luna. La descrizione sarà molto condensata e semplificata per ovvi motivi: pensate che sul libro “Apollo” di Charles Murray e Catherine Bly Cox, sono servite 3 pagine per descrivere i brevi istanti che precedono e seguono il lancio.

S-IC Staging

S-IC Staging

Mediamente una missione Apollo ha utilizzato il Saturn V per non più di 20 minuti complessivi.

Sebbene nel corso delle missioni Apollo 6 (un lancio di test senza equipaggio) e Apollo 13 si sono verificati dei malfunzionamenti ai motori, l’LVDC della IU è stata in grado di compensare (prolungando l’accensione degli altri motori) e nessuno dei lanci Apollo si è concluso con la perdita del carico utile o con una manovra di abort.

Prima del Lancio
La sequenza di accensione del Saturn V iniziava 8.9 secondi prima del lancio. Il motore centrale dell’S-IC si accendeva per primo, seguito dagli altri 4 motori, accesi a coppie opposte con un intervallo di 300 millisecondi (per ridurre il carico strutturale sul razzo). Quando la IU confermava l’avvenuta accensione, il razzo veniva rilasciato in due fasi (il cosiddetto ‘soft-release’, rilascio morbido): prima, le strutture che ancoravano il razzo a terra venivano rilasciate e poi, mentre il razzo iniziava a muoversi, veniva rallentato da una serie di bulloni metallici che saltavano in sequenza per circa mezzo secondo. Una volta sollevato dal launch pad non esisteva un modo sicuro di riportarlo a terra in caso di guasto ai motori. Ci volevano circa 12 secondi prima che il razzo si lasciasse alle spalle la torre di lancio. Durante questo periodo il razzo si inclinava di circa 1.25° in direzione opposta alla torre di lancio per garantire una adeguata distanza di sicurezza (soprattutto in caso di vento). Sebbene piccola, questa inclinazione è chiaramente visibile nelle foto prese dal est o da ovest.

S-IC
Raggiunta una altitudine di 130 m il razzo iniziava una manovra di allineamento con il corretto azimut di volo per poi seguire un programma di beccheggio predefinito che sarebbe durato fino a 38 secondi dopo l’accensione del secondo stadio. Questo programma teneva conto della direzione e forza medie del vento nel mese del lancio. I quattro F-1 esterni venivano direzionati leggermente verso l’esterno in modo che in caso di malfunzionamento, i motori rimanenti avrebbero diretto la loro spinta verso il centro di gravità del razzo. Il Saturn V accelerava velocemente, raggiungendo i 490 m/s (1764 Km/h) a circa 1.6 Km di altitudine.
Dopo circa 80 secondi, il razzo raggiungeva il Max Q, la massima pressione dinamica (grandezza proporzionale alla densità dell’aria e al quadrato della velocità) ovvero l’incremento della pressione su una struttura derivante dalla energia cinetica del fluido in cui la struttura si muove (nel caso di un razzo l’aria). Dopodichè sebbene la velocità continuasse ad aumentare, la densità dell’aria scendeva riducendo di conseguenza anche la pressione al di sotto del Max Q.
L’accelerazione continuava ad aumentare durente il volo dell’S-IC per due ragioni: la riduzione della massa del carburante e la migliore resa degli F-1 nell’aria rarefatta dell’alta atmosfera. Dopo 135 sec, il motore centrale veniva spento per limitare l’accelerazione a 4g. Gli altri motori continuavano a funzionare fino all’esaurimento del carburante o dell’ossidante.

S-IC Staging

La separazione dell'interstadio

La separazione dell'interstadio

La separazione del primo stadio avveniva meno di un secondo dopo lo spegnimento degli F-1. Otto piccoli motori di separazione a carburante solido spingevano indietro l’S-IC, lontano dall’interstadio. L’S-IC proseguiva lungo una traiettoria balistica per poi precipitare nell’Oceano Atlantico. Il primo stadio bruciava per 2 minuti e mezzo circa, portando il razzo a 68 Km di quota ed una velocità di 9920 Km/h, bruciando 2.000.000 Kg di carburante.
Circa 30 secondi dopo la separazione dell’S-IC, l’interstadio si sganciava e cadeva dall’S-II. In questa fase il razzo era in una posizione predefinita per facilitare la caduta e garantire che avvenisse senza rischi di collisione con i motori J-2 del secondo stadio. Poco dopo l’interstadio, anche il LES veniva sganciato (tramite una breve accensione del Tower Jettison Motor).

S-II
Un numero variabile di motori di ullage (LINK) a carburante solido venivano accesi per 4 sec in modo da imprimere una accelerazione positiva all’S-II; successivamente venivano avviati i 5 motori J-2.
Circa 38 secondi dopo l’accensione del secondo stadio la modalità di guida del Saturn V cambiava: la IU passava dall’esecuzione di una traiettoria preprogrammata ad una modalità detta Iterative Guidance Mode, in cui la IU valutava in tempo reale la migliore traiettoria verso il raggiungimento dell’orbita (ottimizzata per l’uso del carburante) e inviava segnali di controllo ai motori di conseguenza. In caso di malfunzionamento della IU, l’equipaggio era stato allenato e istruito per prendere il controllo manuale del razzo (Gene Cernan nel film “In the Shadow of the Moon”, ricorda di aver provato questa procedure così tante volte da desiderare che questo avvenisse!).
Circa 90 secondi prima dello spegnimento dell’S-II, il motore centrale veniva spento per ridurre l’effetto pogo (la violenta oscillazione dei motori a razzo, dovuta a sbalzi nell’erogazione del propellente). A partire da Apollo 14 venne installato un soppressore appositamente creato per queste oscillazioni ma si continuò a spegnere il motore centrale comunque per limitare l’accelerazione (come per l’S-IC). All’incirca nello stesso momento veniva anche ridotto il flusso di LOX verso i motori, modificando la miscela combustibile / ossidante per garantire che rimanesse la minor quantità di carburante nell’S-II al momento della separazione. Dopo la separazione dall’S-IC, l’S-II rimaneva acceso per 6 minuti, portando il razzo a 176 Km di altitudine e 25182 Km/h di velocità, molto vicina alla velocità orbitale finale.

S-II Staging

Il Saturn V

Il Saturn V

Cinque sensori posti nella parte bassa di entrambi i serbatoi dell’S-II venivano attivati durante il volo dell’S-II: loro scopo era determinare l’esatto momento per lo spegnimento e la separazione dello stadio (che avveniva quando due di questi sensori rilevavano un basso livello di carburante o ossidante). Un secondo dopo lo spegnimento dei motori avveniva la separazione vera e propria, seguita dopo pochi secondi dall’accensione del terzo stadio.
Retrorazzi a carburante solido posizionati sull’interstadio S-II / S-IVB, spingevano indietro lo stadio ormai esaurito. L’S-II proseguiva lungo una traiettoria balistica per poi precipitare nell’Oceano Atlantico.
A differenza della separazione in due tempi S-IC / S-II (primo stadio e poi interstadio), questa separazione avveniva in un solo momento: l’interstadio, sebbene costruito come parte dell’S-IVB, rimaneva attaccato all’S-II al momento della separazione.

S-IVB – Prima Accensione
I motori di ullage venivano accesi durante la separazione S-II / S-IVB per circa 6.5 sec, in modo da preparare il carburante nei serbatoi per alimentare il motore J-2. Il terzo stadio veniva acceso una prima volta per circa 2 minuti e mezzo. Allo spegnimento, 11 min e 40 sec dopo il lancio, il razzo si trovava a 2640 Km di distanza dal KSC in un’orbita di parcheggio circolare di 188 Km con una velocità di 7790 m/s (28044 Km/h). L’S-IVB rimaneva agganciato al CSM in attesa di essere riacceso dopo 2 orbite e mezzo per la TLI (Trans Lunar Injection): nel corso di questo periodo equipaggio e e il personale del Mission Control provvedevano alla verifica di tutti i sistemi.

Orbita di Parcheggio (EPO – Earth Parking Orbit)
La EPO era un’orbita bassa (circa 180 – 190 Km) nell’ambito delle LEO standard (Low Earth Orbit, tra i 160 e 2000 Km) e avrebbe avuto anche una vita breve perchè soggetta all’attrito con gli strati alti dell’atmosfera. Ma questo non era un problema nelle missioni Apollo poichè si trattava di un’orbita di parcheggio per un breve periodo. Inoltre, durante questo periodo orbitale, l’S-IVB continuava a fornire una minima spinta espellendo parte dell’idrogeno dal suo serbatoio e questa spinta era sufficiente (sempre nel breve periodo) a vincere l’attrito. Per le ultime tre missioni l’EPO fu anche più bassa (circa 160 – 170 Km) per permettere di aumentare il carico utile (il cosidetto payload) da lanciare. Solo per Apollo 9, i parametri orbitali furono in linea con quelli tipici di una LEO.

S-IVB – Seconda Accensione (TLI)
La TLI avveniva 2 ore e 44 minuti dopo il lancio. L’S-IVB veniva acceso per quasi 6 minuti portando il razzo alla velocità di fuga dall’orbita terrestre, pari a 11.2 Km/s (40320 Km/h). La traiettoria dopo la TLI era una traiettoria di trasferimento per la Luna che permetteva poi l’immissione in orbita lunare con il minimo dispendio di carburante del CSM.

Bye Bye S-IVB !

L'S-IVB alla deriva nello spazio

L'S-IVB alla deriva nello spazio

Dopo 40 minuti dalla TLI, il CSM veniva separato dal terzo stadio, compiva una rotazione di 180° e si agganciava al LM (rimasto al sicuro durante tutto il tempo nell’SLA), completando la manovra nota come Transposition & Docking. L’intero stack Apollo (CSM + LM) si sganciava dall’S-IVB dopo 50 minuti di controlli accurati dei sistemi.
Il CSM/LM effettuava una breve manovra per allontanarsi a distanza di sicurezza dall’S-IVB. Il terzo stadio veniva poi spedito in orbita solare oppure a schiantarsi sulla superficie lunare (per la gioia dei sismografi lasciati dalle precedenti missioni): a tal scopo veniva acceso l’APS e veniva rilasciato il carburante residuo dai serbatoi del LH2 / LOX.

Il 3 Settembre del 2002, Bill Yeung (un astronomo) scoprì un asteroide sospetto a cui fu dato il numero identificativo J002E3. Sembrava percorrere un orbita attorno alla Terra e venne presto scoperto tramite analisi spettrografica che risultava essere ricoperto di una vernice al biossido di titanio, la stessa usata per dipingere il Saturn V. Alcuni ulteriori calcoli lo hanno identificato come lo stadio S-IVB di Apollo 12.

Mi è stato chiesto da un affezionato lettore del blog quale è stato il costo complessivo dello sviluppo e della produzione del Saturn V. Parliamo di circa 6.4 miliardi di Dollari spesi dal 1964 al 1973 ovvero una cifra tra i 31 e i 45 miliardi di Dollari del 2008.

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