Retroscena
Heidi decolla – Svizzera, nazione spaziale, episodio 3
di Martin Jud
Come costruire un motore a razzo
6.5.2021
Traduzione: Leandra Amato
Non sono né la NASA né l'ESA, eppure vogliono volare alto a velocità supersonica. In nove secondi, il razzo della Swiss Academic Spaceflight Initiative dovrebbe raggiungere i 30 000 piedi. Per riuscirci, occorre un motore potente.
All'ultima, la più grande competizione mondiale di ingegneria per la costruzione di razzi, la Spaceport America Cup 2019, la squadra svizzera con il razzo HEIDI ha già ottenuto un enorme successo, arrivando seconda nella sua categoria.
Il volo del razzo HEIDI alla Spaceport America Cup 2019 ha ottenuto il secondo posto.
Nel 2020, il torneo è stato purtroppo annullato a causa della pandemia, e nel 2021 si terrà solo virtualmente. Una nuova competizione è stata aperta in Portogallo che ha celebrato il suo debutto l'anno scorso: la European Rocketry Challenge.
Vincere le competizioni è uno degli obiettivo di ARIS, se non addirittura il principale: entro la fine del decennio dovrebbe essere messo in orbita un oggetto . Può trattarsi di un razzo proprio o di un satellite lanciato da una compagnia spaziale più grande. Le competizioni sono importanti, sia perché i giovani talenti possono mostrare di cosa è capace la loro tecnica, ma soprattutto per fare esperienza. In Svizzera questo è possibile solo in misura limitata.
Chi vuole lanciare un razzo in questo paese, non può farlo volare in alto a causa dello spazio aereo (di solito) molto congestionato e delle leggi in vigore. Pertanto, i voli completati in Svizzera in passato erano solo piccoli salti seguiti da una prova del sistema di recupero – il paracadute.
Volo di prova del razzo HEIDI nel 2019, Canton Giura.
Ecco un altro scatto del razzo EULER dell'anno scorso durante una prova di lancio nel nostro bel paese. Purtroppo, durante la sfida portoghese dell'autunno del 2020, il lancio è stato interrotto a causa di complicazioni con il computer di volo. Tuttavia, il team ARIS ha vinto un Technical Excellence Award.
Prova di lancio del razzo EULER nel 2020, Canton Lucerna.
L'esplosione del razzo TELL avvenuta dopo un volo di solo un secondo e mezzo nel giugno 2018, ha reso il team ARIS consapevole del fatto che il motore deve essere costruito in house.
Il video mostra la registrazione a rallentatore dell'esplosione del razzo TELL nel 2018.
Non significa che un motore proprio non possa esplodere, ma il successo o il fallimento sarebbe interamente nelle proprie mani.
Ma come si costruisce un motore a razzo?
Motore ibrido con sorbitolo, cera di candela e protossido di azoto
Per costruire un motore a razzo, occorrono per prima cosa le menti giuste per implementarlo.
Otto persone sono responsabili della prima versione del motore IRIDE. Questo verrà rivisto quest'anno nel progetto DAEDALUS da altre sei persone e integrato in un razzo per la prima volta.
Qui si può vedere la squadra di IRIDE in grande.
Qui il team di DAEDALUS.
Oltre a menti brillanti, sono necessari obiettivi ambiziosi:
ARIS usa una combinazione di cera di candela (paraffina) e sorbitolo come propellente solido. Il sorbitolo è usato dai panettieri per dolcificare o dai medici come lassativo per i clisteri. Cose che si possono comprare o importare anche in Portogallo o negli Stati Uniti.
Ugello del razzo raffreddato ad acqua nel contenitore di carico
Passare dalla teoria alla pratica richiede buoni piani che si basano su concetti esistenti. Anche gli sponsor sono essenziali. Per esempio, per produrre parti individuali (sulla base di disegni CAD) o per fornire un sito di prova sicuro. Ciò significa che la costruzione, che si svolge al Politecnico di Zurigo, deve avvenire su una piattaforma mobile. Perciò, il team decide per un banco di prova in un container.
Il container ha tre stanze separate. Nella prima viene allestito un banco di prova su cui è montato il motore in modo che l'ugello possa sparare dal container.
Quando il motore verrà installato in un razzo, riceverà un ugello fatto a mano in fibra di carbonio con un inserto in grafite. Tuttavia, a causa delle temperature troppo elevate questo non viene utilizzato per più voli. Per mantenere bassa l'usura dell'ugello durante i test, viene usato un ugello di rame con raffreddamento ad acqua sul banco di prova.
La seconda stanza centrale offre spazio per il serbatoio dell'ossidatore, che si può vedere all'estrema sinistra. Accanto, sulla parete esterna, ci sono tre serbatoi di azoto. Il primo di questi serve il sistema di pressurizzazione. Il secondo è il sistema pneumatico, che è responsabile dell'apertura e della chiusura delle valvole. Il terzo serbatoio di azoto può essere utilizzato per il lavaggio del motore.
A destra dei tre serbatoi di azoto, viene installata un'ulteriore parete di sicurezza durante il funzionamento, dietro la quale si trovano altri due serbatoi con protossido di azoto. Questi sono usati per riempire il serbatoio dell'ossidante, che è direttamente collegato al motore.
Nella terza stanza dei container ci sono i moduli di misurazione, i relè di sicurezza, così come il sistema di alimentazione, il sistema di telecamere di sorveglianza e molti cavi; insomma, tutto l'hardware elettronico si trova in questa zona. È qui che avviene il controllo di tutto il setup. E la raccolta di tutti i dati dei test.
Più di due chilometri di cavi sono installati in tutta la struttura.
Un gadget speciale che, sfortunatamente, solo una persona alla volta è autorizzata ad adoperare fuori dal contenitore e a distanza di sicurezza.
5 kilonewton cosa: fuoco a volontà!
Il pulsante di lancio visto sopra è pronto da molto tempo; alla fine dell'estate 2020, dopo un anno di pianificazione, fabbricazione e assemblaggio, tutto è finalmente pronto per i primi test. I componenti che non potevano essere prodotti dall'azienda stessa sono stati realizzati con l'aiuto degli sponsor.
Lo speciale ugello di metallo, che è attaccato al sistema di raffreddamento ad acqua, è una produzione esterna. Al contrario, i primi ugelli di carbonio sono stati fatti a mano sul posto.
Anche la produzione del combustibile avviene di propria mano: la paraffina e il sorbitolo, con un po' di polvere di alluminio per una spinta in più, vengono accuratamente riscaldati nelle giuste proporzioni e versati in un tubo di resina fenolica. Questo viene poi fatto ruotare come un cestello di lavatrice.
Un primo montaggio del motore sull'Hönggerberg di Zurigo in una giornata soleggiata di luglio rende felice il team IRIDE così come gli sponsor e i professori. E tutto sembra funzionare alla grande. I sistemi sono pronti per una prima accensione, quindi il container si mette in viaggio.
L'intero impianto di prova viene spostato di 60 chilometri con un camion. La destinazione è l'Ochsenboden, nel Canton Svitto. Rheinmetall ha un centro di test lì. L'accensione di un motore a razzo può essere effettuata solo in luoghi molto remoti.
I preparativi prima di un'accensione richiedono diverse ore ciascuno. Ognuno ha un compito fisso, così come durante il lancio. Grazie a più di un anno di collaborazione e di conoscenza di ogni singola parte dei sistemi, tutto funziona senza problemi.
Il motore viene riempito di carburante solido per la prima volta, fissato sul banco di prova e collegato al serbatoio. Il potente sistema di raffreddamento ad acqua è un vero schianto.
Dopo un ultimo controllo dei serbatoi, l'intera squadra scompare in un bunker. Durante l'accensione, si deve mantenere una distanza di sicurezza dal container. Il bunker contiene anche il congegno con l'interruttore di emergenza e cinque monitor: questi mostrano i dati dei sensori, il pannello di controllo per aprire e chiudere tutte le valvole e i video della telecamera di sorveglianza.
Un'ultima occhiata attraverso la fessura della finestra del bunker mostra la bandiera di tiro e la barra LED rossa nel container, il che significa che il sistema è armato.
Lo stomaco formicola. Una potente fiamma sta per essere accesa. Si spera. L'attesa è enorme e la tensione pochi istanti prima della pressione sul pulsante rosso è difficilmente sopportabile. Tra un momento, tutto ciò che si è accumulato per più di un anno sarà scaricato. Non solo nel motore, ma in ognuno degli otto membri del team.
L'IRIDE fornirà abbastanza spinta? Il motore a razzo raggiungerà i 5 kilonewton desiderati con un tempo di combustione di 10 secondi?
La risposta è fornita dal seguente roboante video 4K con un potenziale da pelle d'oca.
Che esplosione spettacolare. Quante emozioni.
Come dimostrano le valutazioni dopo 19 combustioni con un tempo totale di combustione di 89 secondi, l'obiettivo non è solo raggiunto, ma superato con un margine considerevole: vengono eseguiti in totale dodici test con successo, il più lungo dei quali dura 16 secondi. Il motore raggiunge una potenza di picco fino a 7994 Newton. Circa il 60% di prestazioni in più rispetto a quanto sperato.
Nel frattempo, il nuovo progetto DAEDALUS ha già testato il motore migliorato una dozzina di volte con grande successo. E con questo, il razzo PICCARD dovrebbe essere pronto per la competizione di ottobre in Portogallo. Mi chiedo se riuscirà a rompere la barriera del suono...
La Svizzera diventerà una nazione spaziale indipendente entro la fine del decennio grazie ad ARIS?
We stay tuned.
Martin Jud
Senior Editor
martin.jud@digitecgalaxus.chLa mia musa ispiratrice si trova ovunque. Quando non la trovo, mi lascio ispirare dai miei sogni. La vita può essere vissuta anche sognando a occhi aperti.
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