Razzi e meteo: criteri di lancio

Insieme a milioni di persone in ogni parte del mondo, lo scorso 27 maggio ero col naso incollato allo schermo per ore, a seguire la diretta streaming della Nasa che commentava il primo volo con astronauti a bordo che partiva dal suolo Usa su mezzo Usa da quando il programma Space Shuttle è stato terminato.
Mesi di preparazione, ore di diretta, astronauti svegli dalle sei del mattino e già posizionati nella capsula Crew Dragon che li avrebbe fatti attraccare alla Stazione Spaziale Internazionale circa 24 ore dopo e poi, a soli 17 minuti dal momento previsto per il lancio, la comunicazione di lancio abortito per via delle condizioni meteorologiche.

Il lancio è avvenuto con successo al tentativo successivo, sabato 30 maggio. Ma cos’è che non andava bene al primo tentativo? Quali sono i criteri seguiti per prendere questa decisione?
La cosa mi ha incuriosito e ho fatto delle ricerche.

In questo articolo:

No-go: quando il razzo non può partire

Come si può intuitivamente immaginare, ci sono tantissime, delicate fasi che portano all’esecuzione di un lancio perfetto. La missione Crew Dragon Demo-2 le aveva superate tutte brillantemente, già il 27 maggio. Uno degli ultimi controlli prima di autorizzare il volo, a circa 20 minuti dall’ora prevista per il lancio, era di tipo meteorologico.

Video della diretta che ha accompagnato il primo tentativo di lancio della missione Crew Dragon Demo-2, del 27 maggio 2020.
Al minuto 4:13:38 si sente la conversazione riguardo l’ultimo controllo meteo prima di autorizzare o meno il lancio. Tre minuti dopo, gli astronauti vengono informati del “no-go” per via del meteo.

Dopo 4 ore e 18 di diretta streaming, quando mancano meno di 20 minuti alla partenza, sentiamo nel video i responsabili del 45th Weather Squadron dell’Air Force statunitense, che controllano le condizioni meteo per i lanci, parlare con i responsabili del lancio Demo-2.

«A meno che non possiate darci altri 10 minuti, non credo possiamo farcela oggi, con nessuno dei parametri richiesti»
«Vi diamo altri 10 minuti»
«Ah, ehm, intendevo 10 minuti oltre T0 (cioè oltre l’ora di lancio)»
«Oh, mi dispiace…»

In questo caso quei dieci minuti in più non c’erano: la Demo-2 aveva una finestra di lancio istantanea, ovvero doveva necessariamente partire all’orario prestabilito senza ritardi per potersi trovare nella giusta posizione per svolgere la sua missione e arrivare ad attraccare all’Iss.
Il direttore del lancio Mike Taylor ha deciso dunque che la missione era no-go, non poteva continuare, e agli astronauti, avvisati che il lancio è rimandato per condizioni sfavorevoli del meteo, viene chiesto di avviare le procedure di aborto missione.

Criteri meteo per il lancio

I “parametri”, le regole (“rules” , nell’audio originale) a cui i responsabili del controllo meteo si riferiscono nel video, sono una lista molto specifica di condizioni meteorologiche per le quali un razzo può o non può partire. In realtà i criteri riguardo le condizioni meteorologiche esistono per tutte le fasi di preparazione al lancio, non solo per i pochi minuti della partenza vera e propria.

I criteri meteo riguardanti il lancio dipendono anche strettamente dal vettore: quelli necessari al Falcon di SpaceX, ad esempio, sono diversi da quelli che si applicavano allo Space Shuttle.
Qui sotto riporto un documento Nasa che riassume i criteri meteo da rispettare. Per leggere meglio puoi cliccare sull’immagine o sul link nella sua didascalia.

Criteri meteo per il lancio di Falcon 9, dal sito della Nasa.

Strettamente collegate alle condizioni ottimali di lancio, ci sono quelle, analoghe, che tengono conto di tutto il percorso in linea d’aria che il razzo farà per portare il suo carico in orbita. Bisogna infatti considerare sempre la possibilità che qualcosa vada storto e che ci sia bisogno di effettuare rientri d’emergenza.
E non dimentichiamo il rientro del vettore riutilizzabile. Il Falcon 9 di SpaceX infatti è in grado di ritornare a terra per essere nuovamente impiegato in missioni successive, quindi occorre assicurarsi anche delle condizioni meteo al sito di atterraggio.

Cosa si controlla del meteo?

I vari criteri da rispettare riguardano principalmente le precipitazioni, i venti e la possibilità che si sviluppino fulmini.

Riguardo il vento, il parametro di interesse non è tanto la sua intensità e direzione quanto il suo gradiente (wind shear in inglese), ovvero quanto in fretta il vento cambia intensità e direzione lungo il percorso che farà il razzo. Variazioni troppo brusche potrebbero infatti sottoporre il razzo a sollecitazioni che non sarebbe in grado di sostenere, causando in casi limite anche danni strutturali.

Riguardo le precipitazioni, il livello di accuratezza delle previsioni meteo che vediamo tutti i giorni in tv o leggiamo dalle app dedicate sui nostri smartphone non è sufficiente quando si deve far volare un razzo.
Non basta infatti sapere che “c’è il 50% di probabilità di precipitazioni” il giorno dopo, ma occorre avere qualche dettaglio in più su quante e quale tipo di precipitazioni ci si aspetta. E conoscere come varia la temperatura delle eventuali nubi attraversate dal razzo. L’acqua o l’umidità in generale potrebbero aderire al razzo e alla capsula, ghiacciarsi in alta atmosfera o in orbita, creare di nuovo danni strutturali sulle superfici esterne.
Per questo alcuni criteri specificano di evitare il lancio quando ci sono temperature sotto lo zero sulla piattaforma o quando la traiettoria del razzo gli farebbe attraversare nuvole che progressivamente lo porterebbero a temperature sotto zero.

E veniamo allo spauracchio più grosso: la potenzialità che si sviluppino fulmini.
Un fulmine che colpisce il razzo può causare danni di diversa entità sui sistemi elettronici, che a volte possono causare incidenti ai quali si rimedia, come fu per il lancio dell’Apollo 12, ma altre volte possono avere conseguenze disastrose.

Anche nel caso del mancato lancio dello scorso 27 maggio la preoccupazione più grande sembrava quella riguardo i fulmini:

In questo caso particolare, avevamo semplicemente troppa elettricità nell’atmosfera.
C’era la preoccupazione che se avessimo lanciato, si sarebbe potuto effettivamente innescare un fulmine.


Jim Bridenstine, amministratore della Nasa, in un’intervista dopo la sospensione del lancio

Bridenstine parla di “innescare” un filmine: ciò che si deve controllare prima di autorizzare il lancio infatti non è solo che non ci siano tempeste con fulmini entro un certo raggio dalla piattaforma, ma che non ci siano nemmeno le condizioni per innescare il fulmine col passaggio del razzo!

Immagine tratta da un’infografica del 45th Weather Squadron che illustra come la partenza del razzo introduca perturbazioni nel campo elettrico in atmosfera, che oltrepassato un certo limite inducono una scarica elettrica.

Un fulmine è una scarica elettrica che si genera quando c’è una forte differenza di potenziale elettrico nell’atmosfera. Alcune nubi si caricano sul fondo di particelle con carica elettrica negativa, creando un forte disequilibrio, ad esempio, tra il limite inferiore di queste nubi e il suolo. Tra nubi e suolo c’è aria, che è un buon isolante elettrico e che quindi tiene separate le cariche perché non ne consente la libera circolazione. Quando però il disequilibrio è troppo elevato, le cariche elettriche si aprono forzosamente un canale “bucando” persino il mezzo isolante e scaricano a terra. Uno degli effetti di questa scarica elettrica è il flash di luce che vediamo a occhio nudo.
(In realtà i fulmini sono un fenomeno molto più complesso di come lo sto raccontando qui e si verificano anche in condizioni diverse da quelle specifica che ho illustrato: nell’ambito di questo articolo però è sufficiente avere idea anche solo di questo meccanismo.)

Esattamente un anno prima del primo tentativo della missione Demo-2, il 27 maggio 2019 il razzo sovietico Sojuz fu colpito da un fulmine dopo il decollo. L’agenzia spaziale russa, la Roscosmos, fece sapere che la missione non aveva subito incidenti: doveva portare il satellite Glonass-M in orbita.

Quando un razzo viene lanciato, improvvisamente offriamo all’atmosfera una perturbazione del campo elettrico, un gigantesco conduttore (il Falcon 9 è alto quasi 70 metri) e inoltre i materiali di scarico che vengono fuori dal razzo sono ionizzati, cioè sono carichi elettricamente.
In pratica si esaspera il disequilibrio che porta al fulmine e gli si dà anche una corsia preferenziale per scaricare! Questo significa fulmine indotto.

Per scongiurare questo pericolo, i controlli meteo devono assicurarsi che la differenza di potenziale elettrico nella zona che il razzo deve attraversare sia ben al di sotto del limite che produce fulmini naturalmente. Questo si deduce misurando la differenza di potenziale e studiando le nubi: i cumulonembi, a forma di incudine, sono le nuvole che proprio ci si augura di non veder comparire in cielo prima di un lancio!

Paranoici o prudenti?

Tra i criteri da rispettare per l’autorizzazione al lancio di un razzo si legge, ad esempio, che negli ultimi 30 minuti non devono esserci stati episodi di fulmini entro i 18.5 chilometri di distanza dalla piattaforma di lancio.
E via di seguito con forma e distanza e temperature stimate di nuvole a minuti e/o chilometri di distanza. A scorrere tutti i criteri, si può avere l’impressione che i parametri siano ben più restrittivi di quanto sia necessario.
Ma, ovviamente, c’è un motivo. Anzi, purtroppo ce ne sono diversi.

Non abbiamo sempre avuto le conoscenze e le tecnologie attuali, quindi in passato si sono verificati incidenti che molto probabilmente oggi si sarebbero evitati.
È il caso del sopracitato Apollo 12. Sesta missione del programma Apollo, seconda ad allunare, il 14 novembre 1969 partì dal Kennedy Space Center di Cape Canaveral (Florida) la missione Apollo 12, su razzo vettore Saturn V. Il Saturn fu colpito dal fulmine dopo 32 secondi dal lancio e una seconda volta dopo 52 secondi dal lancio.
Come dice il detto, “il fulmine non colpisce mai due volte nello stesso punto”… e in effetti l’evento era straordinario per essere una coincidenza: era un chiaro esempio di fulmini indotti.
Quella volta andò bene, i sistemi elettrici a bordo risentirono della scarica ma l’incidente non compromise la missione.

Un altro evento, stavolta drammatico, riguardò lo Space Shuttle Challenger il 28 gennaio 1986, dovuto a quella che forse si può definire una leggerezza riguardo le condizioni in cui il vettore è partito. In quel caso le temperature, scese sotto lo zero nella notte sulla rampa di lancio, hanno consentito la formazione di ghiaccio che ha causato il venir meno di una guarnizione nel segmento inferiore del razzo a propellente solido, con conseguenti fiammate e danni strutturali. In quell’occasione, sette persone persero la vita.

Gli incidenti accadono in ogni ambito della vita, bisogna imparare a conviverci e prevenirli quando possibile.
I criteri attualmente adottati per definire– entro le migliori capacità umane – un lancio sicuro possono sembrare eccessivamente prudenti, ma sono stati pensati per garantire la sicurezza delle persone: quelle a bordo del razzo, nelle missioni con equipaggio, e anche quelle, a terra, che sarebbero coinvolte in caso di avaria lungo la traiettoria di lancio.

In questo modo, noi spettatori possiamo non curarci dei dettagli tecnici e concentrarci sull’emozione di vedere un lancio riuscito con successo!

La partenza della missione Crew Dragon demo-2 avvenuta con successo il 30 maggio 2020.

Hai seguito anche tu il lancio lo scorso 30 maggio?
C’è qualcosa che ti ha colpito di quanto ti ho raccontato e che vorresti approfondire?
Lasciami un commento qua sotto!


Immagine di copertina: Brandon Morgan on Unsplash


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