Lo Space Shuttle della NASA ha operato nell'orbita terrestre bassa per 30 anni prima del suo pensionamento nel 2011. Tuttavia, il sostituto dell'agenzia spaziale americana per questo veicolo, Orion, è tornato al design della capsula conica familiare dalle missioni Apollo. Questo perché la NASA intendeva che questa nuova imbarcazione fosse utilizzata per esplorare obiettivi nello spazio profondo, come la Luna.
Ma negli ultimi anni abbiamo assistito al ritorno del design dello spazioplano. Dal 2010, la US Space Force (e in precedenza la US Air Force) ha lanciato uno spazioplano robotico chiamato X-37B in orbita terrestre bassa per missioni classificate. La Cina ha il proprio aereo spaziale militare chiamato Shenlong.
Quest'anno potrebbe verificarsi un volo di prova del Dream Chaser della compagnia Sierra Space, il primo spazioplano commerciale in grado di volare in orbita. Se tutto andrà bene, il veicolo potrebbe essere utilizzato per rifornire la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) di merci e, eventualmente, di equipaggio.
Gli spaziplani possono volare o planare nell'atmosfera terrestre e atterrare su piste invece di usare i paracadute per atterrare in acqua o su terreno piatto come le capsule. Sono anche più manovrabili quando il veicolo spaziale rientra nell'atmosfera, aumentando l'area della superficie terrestre dove è possibile l'atterraggio da uno specifico punto di rientro.
Gli spaziplani consentono inoltre una traiettoria di volo più dolce ma più lunga durante il rientro e un atterraggio più morbido, che è più facile per l'equipaggio e il carico rispetto alle capsule, che possono atterrare con un tonfo. Una pista consente inoltre agli equipaggi di supporto a terra e alle infrastrutture di essere pronti sul luogo dell'atterraggio.
Ma gli spaziplani sono più complessi e più pesanti di una capsula equivalente. La forma del corpo alato rappresenta una sfida particolare per la progettazione di sistemi di protezione termica (TPS), i materiali resistenti al calore che proteggono l'imbarcazione dalle temperature torride al momento del rientro. Questi costi aggiuntivi rendono poco pratico progettare uno spazioplano per un singolo volo. Devono essere utilizzati più e più volte per essere sostenibili.
C'è stato interesse per gli spaziplani fin dai primi giorni del volo spaziale umano. Un progetto di spazioplano militare chiamato Dyna-Soar fu avviato negli Stati Uniti nel 1957, poi annullato subito dopo l'inizio della costruzione. Il veicolo era sofisticato per l'epoca, costruito utilizzando una lega metallica in grado di resistere alle alte temperature e dotato di uno scudo termico nella parte anteriore che poteva essere staccato al ritorno dallo spazio, in modo che il pilota potesse vedere chiaramente mentre atterrava.
Lo Space Shuttle, entrato in servizio nel 1981, è stato il primo spazioplano operativo. Avrebbe dovuto essere lanciato più spesso di quanto non fosse avvenuto e avere una maggiore riusabilità, ma si è scoperto che era necessaria un'ampia ristrutturazione tra un lancio e l'altro. Tuttavia, ha dimostrato la capacità di riportare astronauti e carichi di grandi dimensioni dall'orbita.
Altre agenzie spaziali hanno investito negli anni '80 e '90, in Europa, con lo spazioplano Hermes, e in Giappone, con il veicolo HOPE. Entrambi i programmi sono stati cancellati in gran parte a causa dei costi. L'Unione Sovietica sviluppò un proprio veicolo simile a una navetta chiamato Buran, che volò con successo nello spazio una volta nel 1988. Il programma fu annullato dopo il crollo dell'Unione Sovietica.
Gli spaziplani hanno requisiti specifici per la parte finale del loro viaggio, ovvero il ritorno dallo spazio. Durante il rientro atmosferico, vengono riscaldati fino a oltre mille gradi Celsius mentre viaggiano a velocità ipersoniche di oltre sette chilometri al secondo, più di 20 volte la velocità del suono. Il design del muso smussato (dove il bordo del veicolo spaziale è arrotondato) è una forma ideale perché riduce l'accumulo di calore nella parte anteriore del veicolo.
Anche così, le temperature previste a bordo dell’imbarcazione possono raggiungere i 1600°C, rendendo necessario un sistema di protezione termica all’esterno del veicolo. Il TPS dello Space Shuttle comprendeva piastrelle ceramiche particolarmente resistenti al calore e una matrice rinforzata carbonio-carbonio in grado di resistere a temperature fino a 2400°C.
La perdita dello shuttle Columbia durante il rientro nel 2003, causando la morte di sette astronauti, fu il risultato di una rottura del TPS sul bordo d'attacco dell'ala. Ciò è dovuto al fatto che un pezzo di schiuma isolante è volato via dal serbatoio esterno dello shuttle durante il lancio del Columbia e ha colpito l'ala.
Questo problema di schiuma era ricorrente con lo shuttle a causa del modo in cui veniva lanciato sul lato del serbatoio del propellente esterno. Ma i nuovi progetti di spaziplani voleranno sopra razzi convenzionali, dove la caduta di schiuma non è un problema.
Un TPS efficace rimane vitale per il futuro successo degli spaziplani, così come lo sono i sistemi che monitorano le prestazioni del TPS in tempo reale.
Attualmente ci sono due aerei spaziali operativi, uno cinese e uno americano, che possono raggiungere l'orbita. Sono disponibili poche informazioni sullo Shenlong cinese, ma l'X-37B dell'esercito americano è più conosciuto. Con un peso di quasi cinque tonnellate al momento del lancio, il veicolo senza equipaggio lungo nove metri viene lanciato utilizzando un razzo convenzionale e atterra autonomamente su una pista al termine della sua missione.
Il TPS dell'X-37B utilizza piastrelle simili alla navetta sulla superficie inferiore con un'alternativa a basso costo al carbonio-carbonio rinforzato chiamata Tufroc, sviluppata per l'X37B, sul muso e sui bordi d'attacco.
A loro dovrebbe presto aggiungersi Dream Chaser, che è stato sviluppato dall'azienda per trasportare sia merci che astronauti, ma la NASA vuole dimostrare la sua sicurezza prima di trasportare persone, utilizzandolo prima per trasportare merci sulla stazione spaziale. La capacità di riportare in superficie un carico relativamente fragile grazie ad un atterraggio più morbido è una capacità chiave. Le piastrelle che proteggono Dream Chaser sono realizzate in silice e ognuna ha una forma unica abbinata all'area del veicolo che è progettata per proteggere.
C'è un continuo interesse per gli spaziplani a causa della loro capacità di riportare l'equipaggio e il carico su una pista. La domanda per questa capacità è attualmente limitata. Ma se i costi dei lanci nello spazio continueranno a diminuire e l'espansione dell'industria nello spazio aumenterà la domanda, diventeranno un'alternativa sempre più valida alle capsule.
A lungo termine, esiste anche la possibilità che gli spaziplani siano in grado di raggiungere l’orbita dopo il decollo da una pista. Le sfide legate allo sviluppo di questi veicoli SSTO (single-stage-to-orbit) sono considerevoli. Tuttavia, concetti come il veicolo Skylon stanno portando a sviluppi tecnici che potrebbero eventualmente supportare lo sviluppo di un velivolo SSTO.
Per il prossimo futuro, gli spaziplani sembrano promettenti per i seguenti motivi:nuove tecniche di progettazione, materiali migliorati per il TPS, strumenti avanzati di modellazione e simulazione computerizzata per ottimizzare diversi aspetti della progettazione e dei parametri di volo e miglioramenti continui nei sistemi di propulsione.
Dato che diversi governi, agenzie spaziali e aziende private in tutto il mondo stanno investendo molto nella ricerca e nello sviluppo degli spaziplani, potremmo vedere un futuro in cui i voli con questi veicoli diventeranno una routine.
Fornito da The Conversation
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