IL MISTERO DELLO SHUTTLE COLUMBIA

La conferenza. Nella semplicità della sala conferenze del Gruppo Astrofili Hipparcos di Roma (http://go.to/hipparcos) si è svolto nel marzo scorso un interessante incontro che ha voluto fare il punto sulla recente tragedia che ha colpito il programma spaziale americano: l’esplosione dello Shuttle Columbia e la perdita del suo equipaggio di sette astronauti. L’incontro, aperto al pubblico (come tutte le periodiche conferenze promosse da Hipparcos), si è avvalso della collaborazione della Italian Space Society (http://www.spacesociety.it). Le due note associazioni romane raccolgono sodalizi di appassionati rispettivamente nei settori astronomico ed astronautico e spesso sono al centro di apprezzate iniziative di divulgazione scientifica sui rispettivi temi di interesse.

I relatori sono stati Paolo D’Angelo (giornalista, vera e propria memoria storica dei fatti grandi e piccoli di tutta l’epopea delle imprese spaziali) e Fabrizio Bernardini (ingegnere elettronico, attualmente impegnato in progetti riguardanti le missioni spaziali europee interplanetarie ed appassionato cultore anche nel privato della materia aerospaziale).

Un po’ di storia. Prima di entrare nel merito dell’incidente occorso al Columbia si sono volute sottolineare alcune importanti premesse storiche sulle missioni spaziali americane ed, in particolare, sul progetto Shuttle. E’ stato utile ricordare come nella prima fase dell’era spaziale (fine anni ’50 ed anni ’60) era molto forte l’interesse dei media e dell’opinione pubblica per i lanci spaziali. Di contro, nei giorni che hanno preceduto l’incidente del Columbia pochi di noi sapevano della presenza in orbita di ben 10 astronauti (7 sullo Shuttle e 3 sulla Stazione Spaziale Internazionale). Inoltre, è sempre importante ricordare come la principale spinta alla corsa allo Spazio (almeno fino alla conquista della Luna) fu preminentemente una spinta di natura politica, , in pieno clima di Guerra Fredda, allo scopo di conseguire un ambito primato tecnico scientifico.

Raggiunto l’obiettivo dello sbarco sulla Luna gli Stati Uniti vissero un momento di ridefinizione degli scopi che dovevano essere perseguiti, delle ragioni che avrebbero dovuto essere alla base del rinnovo degli investimenti in questo settore di alta tecnologia. I nuovi obiettivi che vennero ridefiniti furono, in sostanza, tre: 1) la costruzione di una Stazione Spaziale Internazionale, in orbita attorno alla Terra; 2) la costruzione di una Navetta che consentisse di fare ‘la spola’ con la Stazione in modo economicamente redditizio, cioè con il recupero e riutilizzo del veicolo; 3) l’impiego della Stazione Spaziale come trampolino di lancio per missioni interplanetarie (Luna e Marte in primis).

La costruzione della Stazione Spaziale (dopo l’esperienza Skylab tutta americana) ha finalmente preso il via con respiro e partecipazione internazionali: la Stazione è tuttora in fase di assemblaggio, sia pur tra prevedibili ritardi e difficoltà, soprattutto di natura economica.

Il varo del ‘Progetto Shuttle’ risale al 1972 e nel 1981 sono iniziati i primi voli operativi. Di navette ad oggi ne sono state costruite sei: Enterprise (prototipo per test di aerodinamica e strumentazione, che non ha mai effettuato voli extra-atmosferici), Columbia (che ha compiuto il primo volo della Navetta il 12 aprile 1981, esattamente 20 anni dopo il primo volo umano di Yuri Gagarin), Challenger, Atlantis, Discovery ed, infine, Endeavur (quest’ultimo costruito in sostituzione del Challenger, andato perduto in decollo il 28 gennaio 1986, sostituzione al momento non prevista per il Columbia). Le missioni partite ad oggi sono state in totale 107, ma da un punto di vista economico le attese sono state piuttosto deluse: il progetto originario prevedeva un recupero di operatività della navetta di due settimane, mentre oggi non si riesce a ‘riciclare’ uno Shuttle in meno di quattro mesi, con costi per singola missione che si aggirano attorno ai 600 milioni di dollari. . Un sistema ‘di spola’ con lo spazio esterno veramente economico e sicuro deve ancora essere inventato.

Elementi essenziali di uno Shuttle. Come tutti sanno gli Shuttle utilizzano per la propulsione al decollo tre motori principali (alimentati dal grande serbatoio esterno di ossigeno/idrogeno liquidi, unico componente perduto ad ogni lancio) e due potentissimi motori laterali a propellente solido (particolarmente rischiosi, in quanto una volta accesi non si possono più spegnere per circa un paio di minuti, tempo di esaurimento della spinta e momento di maggior pericolo di tutta la missione). Possiamo avere un’idea della potenza di questi motori considerando che essi portano 2700 tonnellate alla velocità di 11 km/sec nel primo tratto di salita.

Il Columbia era certamente la navetta più vecchia anagraficamente, ma non quella con il massimo numero di decolli: 28 contro i 30 del Discovery. Non era dotata, come invece le altre navette, di sistemi di aggancio alla Stazione Spaziale, ma era l’unica modificata per missioni a lungo termine (18-19 giorni). In tutti i casi, molto di impreciso è stato detto sullo stato di manutenzione dei veicoli: ciascuno di essi, infatti, dopo un certo numero di voli viene rispedito a Palmdale, in California, presso gli stabilimenti del costruttore (Rockwell), per essere completamente smontato e riassemblato. Il che vuol dire, tra l’altro, che sulla navetta esplosa pochi erano i ‘pezzi’ appartenenti al veicolo che ha effettuato il primo volo nel lontano 1981. Nel suo insieme una Navetta è scomponibile in tre sezioni: muso, vano di carico, motori, a cui si aggiungono le superfici alari. I motori sono di gran lunga la componente più preziosa dello Shuttle. C’è, inoltre, una gran quantità di piccoli motori, veri e propri razzetti, dislocati sia sul muso, che sulla coda, utilizzati per il controllo di assetto nello spazio, ma anche –come vedremo- nella fase di rientro: sono alimentati ad idrazina (sostanza altamente cancerogenea: uno dei motivi per cui nelle ore immediatamente seguenti l’incidente la NASA ha raccomandato di non avvicinarsi ai rottami del Columbia).

La parte inferiore della Navetta è completamente rivestita di un sofisticato sistema di protezione termica, il cui compito è quello di non far filtrare all’interno il calore sviluppato durante la fase di rientro (migliaia di °C) per attrito con l’atmosfera. Lo smaltimento del calore che si genera è aiutato, peraltro, dall’onda d’urto che si forma attorno al veicolo nella fase di rientro e che tende a rimuovere il calore spingendolo verso l’esterno. Il rivestimento protettivo è costituito da 32mila mattonelle a base di silicio, diverse a seconda della zona da proteggere. Il sistema è progettato in modo da non risentire del malfunzionamento o danneggiamento di alcune mattonelle (solo alcune unità).

Profilo di missione. Gran parte delle operazioni che vengono eseguite sono del tutto automatizzate. A questo scopo uno Shuttle è gestito da un sistema ad alta ridondanza completamente controllato da calcolatore (fly_by_wire) , costituito da 5 computers, 4 + 1 di riserva (quest’ultimo entra in funzione solo su decisione del comandante e contiene un programma di volo realizzato da un diverso Contrattore, per minimizzare il rischio di ‘buchi’ nel software). Alcune operazioni, come manovra del braccio meccanico o aggancio alla Stazione Spaziale, sono svolte invece manualmente dai piloti. Un tipico profilo di missione prevede tre macro-fasi: lancio ed inserimento in orbita (8-9 minuti), missione propriamente detta, uscita dall’orbita con rientro in atmosfera ed atterraggio (30-35 minuti). Come si noterà, la fase di rientro è sensibilmente più lunga di quella di immissione in orbita: la cosa è intuibile, visto che la navetta deve tornare a ‘velocità zero’ a partire da una velocità in orbita di 25mila km/h e deve, dunque, restituire (essenzialmente sotto forma di calore) tutta la grande quantità di energia accumulata in partenza. Le grandi sollecitazioni termiche e meccaniche subite in questa fase hanno portato, come vedremo, alla disintegrazione del Columbia.

L’incidente. Durante la fase di lancio possono avvenire vari inconvenienti, in risposta ai quali sono previste varie opzioni di aborto missione. A seconda dei casi è previsto: il rientro immediato della navetta alla base di lancio, un atterraggio sulla costa opposta dell’Atlantico (Spagna, Marocco, Ghana), il compimento di un’intera orbita attorno alla Terra e rientro in California (Edwards AFB). In casi estremi sono anche previste procedure per il lancio degli astronauti con il paracadute: ma i nostri stessi astronauti hanno confermato che si tratta di soluzioni dall’esito molto incerto. Va detto che nella storia dello Shuttle non è mai capitato che sia stata adottata una di queste procedure, anche se in un paio di missioni si andò molto vicino a tale necessità, a causa del malfunzionamento dei motori principali.

L’incidente del Columbia è tuttavia avvenuto nella fase di rientro, anch’essa critica per vari motivi. Durante questa fase i motori di manovra impostano una piccola riduzione di velocità che porta entro 40 minuti il veicolo al contatto con gli strati densi dell’atmosfera. L’ingresso avviene a circa 25mila km/h. In questa fase è la superficie inferiore della navetta (completamente piatta, a differenza di un aereo convenzionale) a frenare per attrito con l’atmosfera: di fatto, il veicolo inizia a ‘cadere’ come un sasso. Impostati i corretti parametri di ingresso, tutta la manovra è in questa fase completamente automatizzata.

I pochi dati certi che si sono recuperati sull’incidente indicano che ad un certo momento della fase di rientro si è verificata una perdita di integrità nel sistema di controllo termico, ovvero del rivestimento protettivo per le alte temperature. I punti incriminati sono stati nella sezione sinistra e precisamente il bordo d’attacco dell’ala ed il portellone del carrello. Si ritiene che la perdita di isolamento termico abbia fatto penetrare calore all’interno, le cui conseguenze sono state un progressivo aumento di temperatura della struttura e la brusca perdita di alcuni sensori. Quest’ultima circostanza è stata dovuta quasi certamente alla fusione di alcuni cavi di collegamento elettrico, cavi che per le applicazioni spaziali non sono in PVC, bensì in Teflon (materiale in grado di resistere ad oltre 400 °C). Il progressivo aggravarsi della situazione è stato successivamente evidenziato, poco prima della perdita di contatto, dal sistema computerizzato del controllo d’assetto, che ha iniziato a tentare di compensare una anomala tendenza del Columbia a ruotare attorno all’ala sinistra, come se in quella zona si registrasse un improvviso aumento di attrito. La compensazione è stata tentata prima con l’impiego delle superfici alari (alettoni), e poi- vista la loro inefficacia- con l’accensione dei micro-razzi di prua, procedura che di per sè è già sintomo di una situazione di grave emergenza. A questo punto si è perso il contatto radio. Di lì a poco lo Shuttle deve aver perduto totalmente il controllo, assumendo un assetto irregolare e precipitando in un moto caotico, con conseguente generazione di fortissime sollecitazioni dinamiche alla struttura, che non ha resistito, disintegrandosi progressivamente. Per qualche secondo, nonostante la repentinità degli eventi, i piloti debbono aver avuto percezione di quanto stesse accadendo.

Le cause dell’incidente. La vera causa dell’incidente forse non si saprà mai. Nel caso del Challenger la causa venne individuata immediatamente, grazie anche al recupero di uno dei computer di bordo: si appurò che in quel caso la navetta fu lanciata ad una temperatura molto bassa ed alcune guarnizioni dei booster laterali vennero danneggiate dal ghiaccio. Stabilire cosa sia accaduto al Columbia è subito apparso, invece, molto più difficile. Sugli Shuttle non esistono peraltro ‘scatole nere’, in quanto i dati di volo vengono trasmessi in tempo reale a terra attraverso la telemetria ed in questo sfortunato caso non è stato possibile recuperare componenti utili dei computer di bordo, piovuti a terra, assieme a tutto il resto della navetta, come meteoriti incandescenti

Esclusa l’ipotesi di un attentato (per ovvi motivi di insormontabili difficoltà tecniche nel realizzarlo), è stata avanzata l’ipotesi di un impatto con un micro-meteorite, che avrebbe danneggiato lo scudo termico. Dai tecnici è stato tuttavia dato scarso rilievo a questa ipotesi, in ragione del fatto che l’impatto avrebbe dovuto essere piuttosto violento per fare un danno significativo e, in tal caso , rilevabile a bordo della Navetta.

La causa forse più probabile dell’incidente è stata un evento peraltro già verificatosi nel corso di altre missioni, ma in questa accaduto con particolare evidenza. Il serbatoio centrale contiene - come detto - ossigeno ed idrogeno liquidi, tenuti a bassissime temperature. Per questo motivo il tanker è rivestito da un adeguato isolante termico, per evitare che le due sostanze si riscaldino, passando alla stato gassoso. Un frammento di questo rivestimento si è staccato nel corso della prima fase di volo ed ha colpito la navetta (che già viaggiava a velocità supersonica), con una velocità relativa non trascurabile di circa 500m/sec. Un filmato ripreso da terra (reso a suo tempo anche di dominio pubblico) ha mostrato l’impatto, avvenuto con l’ala sinistra e con possibile interessamento del portello del vano carrello. Dobbiamo tener presente che le immagini del filmato sono state analizzate dalla NASA non a tragedia avvenuta, bensì subito dopo il lancio, e non hanno destato allarme nel personale tecnico di terra: tanto che a bordo gli astronauti erano informati della circostanza. Tutti i sensori della navetta hanno continuato a funzionare correttamente per tutta la durata della missione, creando una ingannevole percezione di normalità. Fino al rientro, quando lo stato di alcuni di loro è degenerato repentinamente a causa delle sollecitazioni termiche su una struttura probabilmente danneggiata.

Conclusioni. Quello che tuttavia si può affermare a posteriori con ragionevole certezza è che, seppure si fosse avuta evidenza di una falla nello scudo termico, a quel punto della missione nessuna opzione di aborto operazioni avrebbe potuto essere praticata con ragionevoli probabilità di successo, né sarebbe stato possibile ipotizzare attività extra-veicolari di ‘riparazione’. Qualcuno ha suggerito l’ipotesi di una missione di salvataggio dell’equipaggio con una seconda Navetta (con ogni probabilità la Atlantis, già in fase avanzata di preparazione per la missione Shuttle successiva). La concreta praticabilità di una tale missione resterà un dubbio irrisolto.

Quasi certamente la NASA avrebbe comunque tentato l’impossibile, com’è nella sua tradizione e nel suo spirito (vedi vicenda Apollo 13), ma senza avere molte concrete speranze di riuscita. Resterà, in ogni caso, l’inquietante interrogativo sul fatto che da terra si possa aver sottovalutato il possibile danno occorso all’ala sinistra durante la fase di decollo.

Questa vicenda ha certamente ricordato all’Umanità che lo Spazio rappresenta ancora un’avventura molto pericolosa, in un ambiente profondamente ostile. I successi maturati negli ultimi decenni ci hanno abituato a credere fin troppo semplice ed ordinaria questo tipo di attività. L’incidente del Columbia ci ha riportato drammaticamente alla realtà.

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