Il Reaction Control System (RCS)

Un blocco di RCS dell’Apollo SM

Il Reaction Control System (RCS) era un insieme di motori che garantiva la propulsione per le manovre di orientamento in condizioni normali o di emergenza dei veicoli dello stack Apollo. Era in grado di fornire una spinta in ogni direzione e di garantire il momento necessario ad imprimere una rotazione lungo i tre assi principali, ovvero rollio (roll), beccheggio (pitch) e imbardata (yaw). Tale sistema era sufficiente da essere utilizzato anche per manovre traslazioni, quando non era necessaria la grande spinta dell’SPS (ad esempio per le correzioni di rotta durante le traiettorie translunari) o dei motori principali del Lunar Module (durante le fasi del rendezvous successive al raggiungimento dell’orbita iniziale).

L”RCS veniva utilizzato inoltre:

  • per mantenere la situazione di station keeping al termine del rendezvous

  • per le manovre ravvicinate durante la fase di docking

  • per la fase di ullage prima dell’accensione dei motori principali (ad esempio l’SPS)

I motori dell’RCS agivano in risposta ai comandi provenienti dal sistema di controllo e stabilizzazione, a sua volta controllato dal sistema di navigazione e guida (PGNS). Era ovviamente disponibile anche il controllo manuale da parte dell’equipaggio attraverso appositi controlli traslazioni e rotazionali: questa modalità veniva ad esempio utilizzata per effettuare la manovra di TD&E. Come detto sia il Command Module, che il Service Module, che il Lunar Module erano dotati di un proprio RCS.

Il Service Module e il Lunar Module erano accomunati dal fatto di avere i motori delll’RCS raggruppati in blocchi di 4 distribuiti attorno al veicolo in modo ottimale per garantire i movimenti traslazionali e rotazionali. Era possibile ‘accoppiare’ i motori, ovvero due motori diametralmente opposti che venivano comandati insieme. Una finezza tecnica che permetteva di aggiustare l’orientamento della capsula senza impattare eccessivamente sugli altri parametri della traiettoria seguita dal veicolo (fosse essa un’orbita oppure una traiettoria translunare).

Il posizionamento dei motori traslazionali (utilizzati per variare la velocità del veicolo) era più critico di quello dei motori utilizzati primariamente per l’orientamento; se la direzione di spinta di questi motori non era orientata per passare attraverso il centro di massa del veicolo, si venivano ad introdurre componenti del moto tali da generare la rotazione dello stesso – un effetto collaterale non desiderato ovviamente.  Questo problema richiedeva una particolare attenzione da parte dei progettisti e riduceva i punti disponibili in cui piazzare i motori dell’RCS.

La distribuzione dei motori RCS sul SM

Il RCS del Service Module
Come detto il SM aveva l’RCS distributo in 4 blocchi, detti quad, posizionati a 90 gradi l’uno dall’altro intorno ad esso. I quads potevano essere utilizzati simultaneamente o a coppie durante le manovre. Ciascun quad era costituito da un pannello realizzato con una struttura interna a nido d’ape, lungo 244 cm long e largo 91 cm.  Una volta incernierato ed imbullonato il pannello diventava parte integrante della struttura del SM. L’insieme dei 4 motori di ogni quad era montato rigidamente all’interno di un alloggiamento di forma più o meno rettangolare all’esterno del pannello (vedi foto iniziale del post). I motori montati lateralmente erano quelli utilizzati per ruotare il SM rispetto all’asse X (l’asse longitudinale che attraversava da prua a poppa il SM, vedi schema qui accanto). I motori montati longitudinalmente venivano usati per ruotare l’SM rispetto agli assi Y e Z, nonchè per le manovre traslazionali lungo l’asse X.  Ognuno dei motori del blocco erano montati inclinati verso l’esterno per ridurre l’effetto dei gas di scarico sulla struttura esterna del SM.

Ciascun motore forniva una spinta massima di  45 kg ed utilizzava propellenti ipergolici (ovvero che è sufficiente portarli a contatto per generare la combustione). In particolare il carburante era la monometilidrazina (MMH) mentre l’ossidante era il tetraossido di diazoto (N2O4). I motori vennero prodotti dalla Marquardt Corp. di Van Nuys, Calif.

I motori potevano generare dei brevi impulsi (short-pulse burst) oppure una accensione stabile più duratura (steady thrust): la prima tipologia di utilizzo serviva per il controllo dell’allineamento (mantenimento di una posizione, puntamento per la navigazione …), la seconda ovviamente per le manovre traslazionali.

Lo schema di un pannello RCS del SM

Nella parte interna del pannello di ogni quad si trovavano i serbatoi del carburante e dell’ossidante, due per ciascuno (uno principale e uno secondario), e tutte le linee di alimentazione per portare i propellenti ai motori. Era inoltre presente un singolo serbatoio di elio, utilizzato per pressurizzare gli altri serbatoi: l’elio entrando all’interno dei serbatoi spingeva i propellenti lungo le linee di alimentazione fino ai motori. La valvola che gestiva l’ingresso del carburante nella camera di combustione dei motori si parva circa 1/500 di secondo prima di quello dell’ossidante per garantire la corretta interazione dei due. Le valvole gestivano anche il corretto mix (2:1) tra carburante ed ossidante.

Serbatoi di Elio (realizzati dalla Airite Div., Sargent Industries, El Segundo, Calif.) – Erano realizzati in titanio e pesavano circa 5,2 kg ciascuno. Il volume interno era di circa 15 litri. Il diametro esterno era di 31,4 cm, lo spessore 3,4 mm, e la capacità complessiva era di 5,14 kg di elio pressurizzato.

Serbatoi principali del carburante (realizzati dalla Bell Aerosystems Co., Buffalo, N.Y.) – Distribuito uno per quad, di forma cilindrica con le estremità a cupola. Lungo 60,24 cm e con un diametro esterno di 32 cm. Le pareti erano spesse tra 0,43 e 0,56 mm. All’intero era presente una bolla realizzata in Teflon. Il volume complessivo (ossidante più zona di ullage) disponibile era di 31,3 kg ad una pressione di 14,6 atmosfere.

Serbatoi principali dell’ossidante (realizzati dalla Bell) – Distribuito uno per quad, di forma cilindrica con le estremità a cupola. Lungo 72,53 cm e con un diametro esterno di 32 cm. Le pareti erano spesse tra 0,43 e 0,56 mm. All’intero era presente una bolla realizzata in Teflon. Il volume complessivo (ossidante più zona di ullage) disponibile era di 61,2 kg ad una pressione di 14,6 atmosfere.

Serbatoi secondari del carburante (realizzati dalla Bell) – Distribuito uno per quad, di forma cilindrica con le estremità a cupola. Lungo 44 cm e con un diametro esterno di 32 cm. Le pareti erano spesse tra 0,56 e 0,68 mm. All’intero era presente una bolla realizzata in Teflon. Il volume complessivo (ossidante più zona di ullage) disponibile era di 20,5 kg ad una pressione di 13,95 atmosfere.

Serbatoi secondari dell’ossidante (realizzati dalla Bell) – Distribuito uno per quad, di forma cilindrica con le estremità a cupola. Lungo 50,56 cm e con un diametro esterno di 32 cm. Le pareti erano spesse tra 0,43 e 0,56 mm. All’intero era presente una bolla realizzata in Teflon. Il volume complessivo (ossidante più zona di ullage) disponibile era di 40,5 kg ad una pressione di 13,95 atmosfere.

Motori (realizzati dalla Marquardt) – 4 motori per 4 quad, ovvero un totale di 16 motori raffreddati col concetto del radiation cooling. Erano gli unici motori non ablativi (un motore ablativo usa lo stesso concetto dello scudo termico del CM per controllare la sua temperatura). Le camere di combustione erano realizzate interamente realizzate in molibdeno, l’ugello di scarico in una lega di alluminio a base di cobalto. Ogni motore era lungo 34 cm e pesava 2,26 kg. La massima spinta generabile da ciascun motore era di 45,35 kg. L’impulso minimo di un motore durava 12 millisecondi. Erano garantite fino ad un massimo di 10.000 accensioni per un tempo massimo complessivo di 1000 secondi (quasi 17 minuti). Ogni motore era equipaggiato con due radiatori elettrici: venivano attivati tramite due interruttori sul pannello di controllo del CM, dopodiché funzionavano tramite un relè termico tarato sull’intervallo 47,7°C (aperto) – 21,1°C (chiuso). Servivano per tenere sotto controllo la temperatura dell’alloggiamento dei motori e delle valvole di iniezione.

3 Risposte to “Il Reaction Control System (RCS)”

  1. Vittorio Says:

    Scusa, vado in Off Topic, ma sono sicuro che qui lo leggi, e sono sicuro che i tuoi lettori non si lamenteranno: sono stati recuperati i motori F1 di un primo stadio Saturn V da parte di Jeff Bezos (fondatore di Amazon). Alcuni link:
    Sito “Jeff Bezos Expeditions”
    Comunicato della NASA
    Video del recupero (in mp4)

  2. raghnor Says:

    Altro che off topic! È Una notizia interessantissima. Mi sto leggendo con calma gli articoli che hai linkato. È impressionante vedere lo stato di conservazione della camera di combustione, nonostante l’utilizzo,la caduta in mare da 60 km di altitudine e la permanenza in acqua sembra abbastanza integra. Grazie Vittorio per la segnalazione.

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