Lo scudo termico del CSM

Il CM rientra nell’atmosfera

Una delle parti più difficili e spettacolari delle missioni Apollo è stato sicuramente il rientro nell’atmosfera terrestre. Nei minuti finali della missione, un ‘accrocchio’ di metallo e plastica, tre astronauti e qualche chilo di campioni lunari (per un peso complessivo di circa 6 tonnellate) piombava negli strati superiori dell’atmosfera ad una velocità di circa 11 Km/s. L’aria di fronte alla poppa del veicolo veniva brutalmente compressa e generava temperature dell’ordine dei 3000 gradi centigradi. Tutto ciò che separava l’equipaggio dal finire inceneriti da questo straordinario calore era un rivestimento di resina e fibra di vetro ideato dagli ingegneri della NASA per reggere ad un tale inferno. Lo scudo termico.

I veicoli che devono atterrare su un pianeta fornito di atmosfera (come la Terra, Marte o Venere) attualmente lo fanno impattandola ad alta velocità e sfruttando la resistenza da essa generata per rallentare. Ovviamente l’effetto collaterale di questo attrito è il calore generato e quindi serve proteggere il veicolo dal potere distruttivo di questo calore. Lo scudo termico o Sistema di protezione termico (in inglese Thermal Protection System o TPS) è una parte essenziale di un veicolo spaziale che deve effettuare un rientro atmosferico ed è proprio quello che proteggere il veicolo dal calore che si sviluppa quando esso si muove ad alta velocità in una atmosfera.

Uno scudo termico dopo il rientro

Esistono due tipi principali di TPS:

  • gli scudi ablativi: sono costituiti da resine plastiche e funziona perdendo lo strato superficiale esposto al calore intenso (lo strato superficiale staccandosi dallo scudo porta via con se il calore). Maggiori dettagli li trovate qui sotto. Questo tipo di TPS è stato utilizzato per le capsule Mercury, Gemini ed Apollo. Il concetto di scudo ablativo venne descritto già nel 1920 da Robert Goddard, il pioniere della missilistica.

  • le coperture termiche: costituiti da una copertura di materiale isolante in grado di assorbire ed irradiare via dal veicolo il calore. Appartengono a questa categoria le piastrelle del rivestimento dello Shuttle. Solitamente sono realizzate con materiali ceramici e/po compositi con rinforzi in materiale a base di carbonio nelle zone in cui il calore è superiore (il naso dell’STS e i bordi delle ali, guarda caso le aree in nero).

Gli scudi termici del CM

Gli scudi termici come quello utilizzato dall’Apollo derivano direttamente da quelli messi a punto negli anni 50 per le testate nucleari. Queste armi percorrevano lunghi archi balistici fin fuori dall’atmosfera in cima a grossi razzi in modo da incrementare la loro velocità e minimizzare i tempi necessari a raggiungere l’obiettivo. Ovviamente si trovavano ad affrontare il problema del rientro: le testate vennero rinchiuse all’interno del razzo e protette inizialmente da dissipatori di calore. Questi dissipatori evolsero poi nei primi scudi termici ablativi.

Lo scudo termico ablativo funziona soccombendo lentamente all’enorme calore del rientro. La sua superficie carbonizza e si squama, staccandosi dallo scudo stesso, portando via con se parte del calore ed esponendo uno strato fresco e pronto a subire lo stesso trattamento. Finchè lo spessore complessivo dello scudo è maggiore dello spessore eroso dal rientro, lo scudo svolge il suo compito egregiamente.

La produzione degli scudi termici del CM Apollo

Lo scudo termico del CM era suddiviso in tre sezioni: lo spesso scudo di poppa (quello che viene solitamente considerato LO scudo termico del CM), la sezione centrale (che ricopriva la parte principale della struttura conica del CM) e lo scudo frontale (che copriva la ‘punta del CM’ e proteggeva i paracadute e il resto dell’equipaggiamento dell’ELS).

Il fornitore scelto per realizzare lo scudo termico del CM fu la Avco Corporation‘s Everett, Massachusetts. Lo scudo termico era costituito da una serie di sezioni realizzate in acciaio, disposto come in un sandwich (due strati esterni che contenevano una struttura interna ad alveare).Ogni scudo era assemblato utilizzando 40 di queste sezioni, saldate insieme tramite uno speciale processo elettrico che utilizzava una lega di argento-rame-litio in una matrice di nichel. Ogni saldatura era verificata tramite i raggi X. Queste sezioni fornivano supporto ad una sottostruttura ad alveare realizzata in fibra di vetro. Ciascuna delle celle nella sottostruttura, in totale circa 300.000, veniva poi riempita a mano con la resina epossidica (era questo il vero materiale ablativo dello scudo) utilizzando una apposita spruzzatrice. Ogni singola cella veniva esaminata e se si riscontrava un difetto, questa veniva attentamente ripulita e riempita nuovamente. Per assicurare il giusto spessore in ogni punto, lo scudo veniva poi rifinito in un gigantesco tornio controllato da un computer. La parte finale della costruzione prevedeva l’applicazione di un sigillante e di una pittura termica all’intero scudo.

Lo scudo termico principale del CM (quello di poppa) era frutto di un progetto molto conservativo (dal punto di vista ingegneristico). Quando vennero congelate le specifiche del progetto del CM, la conoscenza sui flussi dell’aria superriscaldata attorno alla capsula durante il rientro in atmosfera era ancora limitata. Questo è uno dei motivi per cui l’intero CM è rivestito con uno scudo termico. Inoltre l’ipotesi iniziale sulla traiettoria di rientro prevedeva una lunghezza di molto superiore a quella poi realizzata: di conseguenza, lo scudo del CM venne progettato per sopportare un volo di 6500 Km. In realtà le missioni lunari volarono tutte per circa 2200 Km al loro rientro (molto meno della metà). Il risultato? Sebbene lo scudo termico principale subì sempre un intenso calore, la sua superficie venne solo strinata e perfino i nastri di Kapton incollati sulla superficie esterna della capsula (per il controllo termico nello spazio) vennero soltamente ritrovati ancora ben aderenti (tanto che in più occasioni vennero strappati e divennero souvenir per gli addetti al recupero!).

Durante il rientro, non venne mai tentato di raffreddare attivamente lo scafo esterno della capsula. Lo scudo termico venne sempre considerato, e i fatti hanno dato ragione ai progettisti, più che adeguato a proteggere l’intera struttura.

4 Risposte to “Lo scudo termico del CSM”

  1. Come sempre ottimo pezzo. Ho appreso l’uso del verbo strinare. Come funzionavano i nastri di kapton?

  2. Ciao, mi scuso per non aver potuto rispondere prima, settimana intensa.
    Il Kapton è una pellicola realizzata con un resistente polimero in grado di rimanere stabile in un’ampia gamma di temperature, dai -269 °C a +400 °C.
    Veniva quindi steso sul CM (e abbondantemente sul LM) per garantire protezione termica e dai micrometeoriti.

  3. Articolo molto interessante. Solo una piccola aggiunta: come protezione dall’altissima temperatura c’era la stessa forma della capsula. La forma tozza (a goccia) permetteva di aumentare la resistenza all’aria in modo da rallentare le particelle d’aria che colpivano la capsula. Rallentarle aveva come conseguenza quella di avere una zona davanti alla capsula a velocità subsonica. Quindi, l’onda d’urto (punto dove si generano le più alte temperature e che si sviluppa solo a velocità superiori a Mach 1) veniva a crearsi ben più lontano dalla superficie della capsula. Questo in grossa parte diminuiva quello che era il carico termico che doveva sopportare la superficie degli scudi.

  4. raghnor Says:

    Grazie per la precisazione. Non avevo mai sentito parlare di questo aspetto, molto interessante. Mi sembra che conosci molto bene l’argomento: puoi segnalarmi qualche fonte che potrei consultare per approfondire ulteriormente l’argomento?

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