Torniamo a casa – la Trans Earth Injection (TEI)

Una interpretazione artistica della TEI

In ogni viaggio esiste un momento in cui si dice ‘da qui inizia il viaggio di ritorno’. Per gli astronauti delle missioni Apollo quel momento era probabilmente l’inizio dei preparativi per la TEI, la Trans Earth Injection.

Completata l’esplorazione della superficie, impacchettati i campioni raccolti e completato il programma scientifico orbitale era tempo di tornare a casa. Dello stack Apollo a quel punto era rimasto il solo CSM: anche il modulo di ascesa del LM era stato sganciato e diretto, nella maggioranza dei casi, a schiantarsi sulla superficie lunare (generando un piccolo terremoto artificiale a beneficio dei sismografi lasciati sulla superficie). Essere rimasti col solo CSM significava che era rimasto un solo motore disponibile per effettuare questa manovra, l’SPS. Nel corso degli anni il fatto di poter disporre del solo SPS era stato motivo di terrore per i manager della NASA, terrore talvolta amplificato a fini sensazionalistici dai giornalisti televisivi e non. L’idea di ritrovarsi con 3 astronauti intrappolati in orbita lunare, con l’unica prospettiva di una morte per asfissia all’esaurimento delle loro scorte di ossigeno magari durante gli ultimi disperati tentativi di riparare il loro capsula era qualcosa da togliere il sonno agli uni e uno scoop epocale per gli altri.

In realtà gli unici elementi non ridondati del motore erano la camera di combustione e l’ugello in fondo al SM, due elementi comunque passivi. Proprio in considerazione della totale affidabilità richiesta all’SPS le condutture di alimentazione, i controlli elettronici, le valvole, gli iniettori erano duplicati. Inoltre il motore utilizzava carburante ed ossidante ipergolici: bastava aprire una valvola e metterli in contatto per accendere il motore. Altri dettagli li trovate nel post che ho dedicato all’SPS nei mesi scorsi.

In termini più tecnici la TEI era una manovra che assomigliava molto alla TLI: il suo scopo era quello di imprimere una maggiore velocità alla capsula per permetterle di sfuggire all’attrazione di un corpo celeste attorno alla quale era in orbita, in modo da porla su una traiettoria di incontro con un altro corpo celeste. Nel caso della TEI si lasciava l’orbita lunare per ‘incontrare’ la Terra. La TEI era sicuramente la manovra più critica tra quelle in cui si usava l’SPS e durava poco più di 2 minuti: la variazione di velocità richiesta era di circa 1 Km\s (3600 Km\h). La traiettoria risultante era nota come traiettoria di Hohmann, una traiettoria ellittica di trasferimento che garantiva il minimo consumo di energia.

In virtù delle caratteristiche del sistema Terra-Luna, la TEI aveva un’altra caratteristica peculiare: doveva avvenire dalla parte opposta alla Terra, nel periodo in cui l’Apollo si trovava sopra la ‘faccia oscura’ della Luna senza contatto radio con il Mission Control.

Il TEI PAD di Apollo 8

La preparazione alla TEI passava dall’esecuzione del Program 30 dell’AGC (denominato “External Delta V”). Le informazioni necessarie per la manovra erano state in precedenza caricate da terra tramite il canale di uplink. Tramite questo programma era possibile verificare la correttezza dei dati ricevuti ed eventualmente modificarli. I parametri fondamentali erano l’ora dell’accensione e il cambio di velocità richiesto scomposto nelle sue componenti lungo gli assi X, Y e Z del sistema di riferimento in uso. I parametri venivano passati anche a voce all’equipaggio che lo trascriveva sull’apposito PAD. Altro compito del programma era quello di determinare le condizioni iniziali e i parametri orbitali alla fine della manovra, orientare correttamente la capsula ed assistere l’equipaggio in un’ultima verifica tramite l’osservazione di una stella attraverso il sestante. A quel punto il controllo passava al Program 40, la routine di controllo della manovra tramite il Guidance, Navigation and Control System.

Con l’avvicinarsi del momento, P40 mostrava il conto alla rovescia sul DSKY e 5 secondi prima dell’accensione lampeggiava l’indicatore del Verb 99, la richiesta di conferma da parte dell’equipaggio. Premendo il tasto Pro del DSKY si dava il via libera per procedere con la TEI. Una volta iniziata la manovra, il DSKY mostrava il tempo di accensione rimasto, la velocità ancora da guadagnare e quella già guadagnata. A quel punto l’equipaggio poteva richiamare sul DSKY eventuali errori sulla velocità ed eventualmente eliminarli tramite l’RCS. In dettaglio le componenti della velocità lungo gli assi X e Z richiedevano una accuratezza di ± 0.06 m/s, mentre la componente lungo l’asse Y era meno critica. Per chiarire il livello di tolleranza: si parla di un errore di circa lo 0.001%.

Un ottimo indicatore dell’esito della TEI era il momento della AOS (Acquisition Of Signal), ovvero il momento della riacquisizione delle comunicazioni, qunado il CSM riappariva da dietro la Luna. Se la TEI non era stata effettuata, il CSM rimaneva nella sua orbita di 110 Km di altezza e la AOS occorreva 45 minuti dopo la LOS (Loss Of Signal), come nelle orbite precedenti. Se invece la TEI veniva effettuata, aumentava l’altitudine e l’AOS arrivava in anticipo. il Mission Control utilizzando questo solo parametro poteva capire subito se la TEI era avvenuta; in questo caso l’AOS indicava se tutto era andato bene oppure se la TEI era stata più breve del pianificato e quindi il CSM era su un’orbita intermedia e assolutamente non gradita.

Calcolare la traiettoria di ritorno era compito dei controllori denominati Retro e FIDO, entrambi appartenenti al Trench, un ristretto ‘club’ all’interno del MOCR. Nel calcolo entravano in gioco diversi fattori: la rotazione della Terra attorno al proprio asse, l’angolo di 6.5 ± 0.5 gradi con cui il CM doveva raggiungere gli strati alti dell’atmosfera per garantire che avvenisse il rientro, lo stato dei ‘consumables’ (carburante, ossigeno, …).

Mentre si trovavano in orbita lunare gli equipaggi di tutte le missioni ricevevano ad intervalli regolari il PAD con i dettagli per il TEI nel caso si rendesse necessario effettuare la manovra in autonomia. Nessuna missione li utilizzò mai. Il primo volo ad effettuare una TEI il 25 Dicembre 1965 fu Apollo 8, una missione ‘mordi e fuggi’: 10 orbite, 20 ore e via verso casa. Il CDR, Frank Borman insistette per avere l’ok esplicito del Mission Control prima di ogni LOS per la permanenza in orbita; in caso contrario avrebbe proceduto con la TEI. Apollo 8 non ebbe alcun problema e venne effettuata la manovra come da piano originale.

La Luna vista da Apollo 16 in allontanamento

Le missioni immediatamente successive non rimasero molto più a lungo in orbita lunare: appena veniva completato il rendezvous, veniva scartato il LM e si puntava a casa. Ma con le missioni di tipo J vene deciso di tenere il CSM in orbita lunare per un’intera giornata dopo il ritorno dall’esplorazione in modo da sfruttare tutti gli strumenti impacchettati nella SIM Bay. Nel caso di Apollo 16 il problema con l’SPS suggerì di rinunciare al prolungamento. Gli astronauti di Apollo 15 e 17 commentarono positivamente questo prolungamento poiché permetteva di rilassarsi e riposare dopo la tensione dell’attività sulla superficie.

3 Risposte to “Torniamo a casa – la Trans Earth Injection (TEI)”

  1. Giampiero Says:

    Bellissima descrizione del TEI, anche se non sei un tecnico (come me) tutto diventa chiaro e comprensibile.
    Bravo.

  2. Grazie! Curiosità: ‘tecnico’ in che senso?

  3. Giampiero Says:

    Per tecnico intendo addetto ai lavori, e per addetto ai lavori intendo ingegnere, e per ingegnere . . . .

    Spiegare come 3 uomini siano stati portati sulla luna non è cosa da poco, ed anche un semplice appassionato come me si entusiasma nella lettura di descrizioni “tecniche”.

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