Indietro

ⓘ Space Shuttle abort mode




Space Shuttle abort mode
                                     

ⓘ Space Shuttle abort mode

Gli Space Shuttle abort sono delle procedure di emergenza adottate dalla NASA da applicare in caso di malfunzionamento dei sistemi dello Space Shuttle che comportino linterruzione repentina della missione. Un esempio tipo in cui si dovrebbero applicare questi scenari è il caso in cui si dovesse registrare un grave malfunzionamento dei motori principali della navetta durante la fase di ascesa. Per quanto riguarda la fase di rientro e discesa, ci sono ben poche possibilità di interruzione. Ad esempio il disastro del Columbia accadde durante il rientro atmosferico e non ci sono alternative a malfunzionamenti durante questa fase del volo.

Le procedure si possono dividere in procedure di interruzione pianificate con integrità della navetta o impreviste che porterebbero alla perdita del veicolo ma ad un tentativo di salvezza per lequipaggio. Ad esempio, alcuni problemi che si verificassero nella fase di discesa e che comunque fossero compatibili alla salvezza dellequipaggio, generalmente non sono considerati come interruzioni della missione con integrità della navetta. Un problema ai sistemi di controllo di volo o un malfunzionamento multiplo delle Auxiliary Power Unit, infatti, potrebbero rendere impossibile latterraggio in sicurezza e quindi richiedere labbandono dello Shuttle da parte degli astronauti tramite i paracadute.

                                     

1. Scenari di interruzione in ascesa

Ci sono cinque modi programmati per interrompere la missione durante la fase di ascesa, compresa linterruzione dalla rampa di lancio RSLS. Questi sono classificati come interruzioni con integrità della navetta intact abort e interruzioni impreviste contingency abort. La scelta della tipologia di interruzione della missione dipende da quanto è urgente la situazione e da come può essere raggiunta la pista di atterraggio. Le procedure possono intervenire in una grande varietà di potenziali problemi, ma il problema a cui si è posta più attenzione è il malfunzionamento degli motori principali Space Shuttle Main Engine, SSME, che potrebbe causare limpossibilità di attraversare lAtlantico o di raggiungere lorbita a seconda del momento in cui si verifica il problema e dal numero di motori malfunzionamenti. Altre possibili inconvenienti, escludendo i motori, sono ad esempio un guasto multiplo alle Auxiliary Power Unit APU, una perdita di pressione in cabina, una perdita dal serbatoio esterno.

                                     

1.1. Scenari di interruzione in ascesa Interruzione della Sequenza di Lancio RSLS

I motori principali SSME vengono accesi 6.6 secondi prima del decollo. Da questo momento a quando vengono accesi i Solid Rocket Boosters a T - 0 secondi, gli SSME potrebbero spegnersi e allora verrebbe bloccata la procedura di decollo. Questa è chiamata Redundant Set Launch Sequencer Abort, ed è accaduta cinque volte, più precisamente durante le missioni STS-41-D, STS-51-F, STS-51, STS-55, e STS-68. Questo avviene sotto il controllo dei computer e non per intervento umano e cioè quando uno dei sensori rileva un problema con gli SSME dopo la loro accensione, ma prima che si accendano gli SRB. Una volta accesi questi ultimi non possono essere più spenti e così lo Shuttle deve decollare per forza. Nessuna interruzione della missione può essere messa in pratica finché gli SRB terminano di erogare la loro spinta, cosa che accade dopo 123 secondi dal decollo.

                                     

1.2. Scenari di interruzione in ascesa Interruzioni programmate con integrità della navetta

Ci sono quattro modalità di interruzione per lo Space Shuttle durante la sua fase di ascesa. Questi scenari sono stati studiati per consentire un rientro sicuro verso una delle piste di atterraggio designate o verso unorbita più bassa di quella pianificata per la missione.

                                     

1.3. Scenari di interruzione in ascesa Ritorno al Sito di Lancio RTLS

Nel "Ritorno al sito di lancio" Return To Launch Site abort, RTLS, lo Shuttle continua lascesa e la cabrata finché i solid rocket boosters sono esauriti e quindi espulsi. Poi lo Shuttle compie alcune manovre per dissipare lenergia e portarsi su una traiettoria di rientro. Infine avviene lo spegnimento dei motori principali e il rilascio del serbatoio esterno. LOrbiter discende così, verso la pista di atterraggio del Kennedy Space Center circa 25 minuti dopo il decollo. Durante la fase di ascesa, il controllo missione avverte lequipaggio della navetta nel momento in cui lRTLS non è più possibile, con le parole "negative return", approssimativamente quattro minuti dopo il decollo.

                                     

1.4. Scenari di interruzione in ascesa Cancellazione con Atterraggio Transoceanico TAL

Una "Cancellazione con atterraggio transoceanico" Transoceanic Abort Landing, TAL prevede latterraggio in una località predeterminata dellAfrica o nel ovest Europa, in circa 25 o 30 minuti dopo il decollo. Questo scenario è utilizzato quando la velocità, laltitudine e la distanza non permettono un ritorno alla base di lancio in modalità RTLS.

Uno scenario TAL deve essere dichiarato approssimativamente tra il T+2:30 più di 2 minuti e 30 secondi dopo il decollo e lo spegnimento dei motori principali Main Engine Cutoff, MECO a circa T+8:30 minuti. Lo Shuttle potrebbe così atterrare in piste predefinite in Europa. I tre siti TAL attuali sono Istres Air Base in Francia, Zaragoza Air Base o Morón Air Base in Spagna. Prima del lancio dello Shuttle, due di esse vengono decise in base al piano di volo e viene allertato il personale in caso di utilizzo. La lista dei siti TAL è stata modificata nel tempo; recentemente la Ben Guerir Air Base in Marocco è stata eliminata a causa di possibili attacchi terroristici. Passati siti TAL sono stati: Mallam Aminu Kano International Airport Kano, Nigeria; Mataveri International Airport, Isola di Pasqua, Cile per i lanci da Vandenberg; Rota Spagna; Casablanca Marocco; e Dakar Senegal.



                                     

1.5. Scenari di interruzione in ascesa Cancellazione a Lancio Avvenuto AOA

La procedura "Cancellazione a lancio avvenuto" Abort Once Around, AOA è utilizzata quando lo Shuttle non è in grado di raggiungere unorbita stabile a causa della bassa velocità acquisita e quindi deve compiere una sola orbita completa intorno alla terra e atterrare, circa 90 minuti dopo il decollo. La finestra di tempo per usare un AOA è veramente corta, giusto pochi secondi tra le opportunità di TAL e lATO. Perciò la possibilità di scelta di questa procedura è estremamente bassa.

                                     

1.6. Scenari di interruzione in ascesa Cancellazione Verso unOrbita ATO

La procedura "Cancellazione verso unorbita" Abort To Orbit, ATO è utilizzata quando lorbita desiderata non può essere raggiunta, ma si riesce comunque a raggiungere unorbita stabile più bassa. Questo successe durante la missione STS-51-F, che continuò nonostante il posizionamento, appunto, in unorbita più bassa di quella voluta. Inoltre, durante la missione STS-93 ci fu una perdita didrogeno, utilizzato come combustibile, dai motori principali che ha portato al posizionamento in unorbita leggermente più bassa del previsto, ma non ci fu un vero ATO. Se la perdita fosse risultata più seria, poteva rendersi necessario un ATO, o un RTLS o un TAL. Nel momento in cui diventa possibile scegliere un ATO, viene comunicato dal controllo missione alla navetta con le parole: "press to ATO".

Tra le precedenti procedure di interruzione pianificate, solo la ATO è accaduta realmente. Durante la missione STS-51-F, il Centro Controllo Missione di Houston situato al Lyndon B. Johnson Space Center ha rilevato un malfunzionamento di un SSME ed ha comunicato: "Challenger--Houston, Abort ATO. Abort ATO". Il comandante della navetta ha ruotato il selettore di abort in posizione ATO e ha premuto il pulsante di abort. Così sono iniziate le procedure del software di controllo del volo previste per questa situazione. Nel caso che si abbia una perdita delle comunicazioni, il comandante del volo può prendere autonomamente la decisione di effettuare una procedura di cancellazione.



                                     

1.7. Scenari di interruzione in ascesa Siti di Atterraggio di Emergenza

Le piste di atterraggio di emergenza per lOrbiter comprendono:

  • Banjul Gambia
  • Royal Australian Air Force Base Darwin, Darwin, Australia
  • Stewart Air National Guard Base, Newburgh Stati Uniti dAmerica
  • White Sands Missile Range, White Sands Nuovo Messico Stati Uniti dAmerica
  • Aeroporto Internazionale King Khalid - Riyadh Arabia Saudita
  • Aeroporto internazionale di Bangor, Bangor Maine Stati Uniti dAmerica
  • Royal Australian Air Force Base Amberley, near Brisbane, Australia
  • Keflavík Islanda
  • Gander International Airport, Gander, Terranova e Labrador Canada,
  • Beja Portogallo
  • Edwards Air Force Base, California Stati Uniti dAmerica,
  • Ankara Turchia
  • Shannon International Airport Irlanda
  • RAF Fairford Regno Unito
  • Lincoln Airport, Lincoln Nebraska Stati Uniti dAmerica
  • Orlando International Airport, Orlando Florida Stati Uniti dAmerica
  • Airport Manching vicino a Monaco di Baviera Germania
  • Lajes Portogallo
  • Diego Garcia British Indian Ocean Territory,
  • Montreal/Mirabel International Airport, Mirabel vicino a Montréal, Québec Canada,
  • Aeroporto di Gran Canaria Gran Canaria
  • Aeroporto di Colonia/Bonn Germania

Nel caso di un rientro di emergenza sulla terra, che porterebbe lOrbiter in unarea dove non è possibile raggiungere uno dei luoghi previsti per gli atterraggi di emergenza, lOrbiter sarebbe teoricamente in grado comunque di atterrare in una qualsiasi pista pavimentata lunga almeno tre chilometri. Tale caratteristica comprende la maggior parte degli aeroporti commerciali in pratica, gli aeroporti militari americani sarebbero preferibili per ragioni di sicurezza e per minimizzare il disagio al normale traffico aereo commerciale.

Esiste un ordine di preferenza delle modalità di cancellazione:

  • TAL è da scegliere quando il veicolo non ha raggiunto una velocità sufficiente da permettere la scelta dellATO.
  • ATO è lopzione preferibile quando essa sia possibile.
  • AOA potrebbe essere usata soltanto in un breve lasso di tempo tra le opzioni di TAL e ATO.
  • RTLS comporterebbe un atterraggio più veloce rispetto alle altre opzioni, ma è considerata una procedura rischiosa. Essa verrà scelta esclusivamente se la massima velocità che lOrbiter potrà raggiungere non sarà sufficiente a consentire gli altri scenari.

Diversamente dagli altri voli con equipaggio del programma spaziale americano, lo Shuttle non ha mai effettuato test con astronauti a bordo. La NASA pensò però di fare un ulteriore test non orbitale con equipaggio per provare la modalità di interruzione RTLS. Il comandante di STS-1 John Young però rifiutò di farlo, asserendo che: "lets not practice Russian roulette", "io non pratico la roulette russa", ad intendere la pericolosità di tale manovra.

                                     

1.8. Scenari di interruzione in ascesa Cancellazioni Eventuali

Le procedure di cancellazione della missione eventuali Contingency aborts sono state studiate per permettere allequipaggio di sopravvivere nel caso che si verificassero numerosi e gravi malfunzionamenti e non fosse possibile ricorrere alle modalità di interruzione programmate. Queste procedure a volte risulterebbero però dei tentativi disperati per salvare lequipaggio.

Se lOrbiter non fosse in grado di raggiungere la pista di atterraggio, potrebbe tentare di ammarare o tentare un atterraggio sul terreno. Sarebbe però difficile che lequipaggio a bordo possa sopravvivere. Comunque, se si dovessero verificare delle gravi anomalie, durante la fase di discesa, ma comunque si riuscisse a tenere un volo livellato grazie allautopilota, labbandono della navetta sarebbe realizzabile. Per maggiori dettagli, guarda Opzioni di cancellazione Post-Challenger qui di seguito.

Nei due disastri occorsi allo Space Shuttle, le cose evolsero negativamente così velocemente che ci fu ben poco da fare. Nel caso del Challenger, gli Space Shuttle Solid Rocket Booster erano in funzione quando ci fu il cedimento. LOrbiter si disintegrò istantaneamente a causa delle notevoli forze aerodinamiche che dovette supportare. Il disastro del Columbia accadde, invece, nelle alte zone dellatmosfera, durante le fasi di rientro. Anche se lequipaggio fosse stato in grado di abbandonare la navicella spaziale, sarebbe comunque morto a causa delle altissime temperature generate dalla velocità ipersonica

                                     

2. Opzioni di cancellazione Post- Challenger

Prima del disastro del Challenger, STS-51-L, esisteva un numero assai limitato di opzioni per interromper la fase di ascesa. Solo il mancato funzionamento di un unico SSME avrebbe potuto garantire la sopravvivenza dellequipaggio nei primi 350 secondi della salita. Due o tre malfunzionamenti degli SSME avrebbero portato alla perdita del veicolo e dellequipaggio senza che ci fosse la possibilità di abbandonare la navetta. Infatti, due o tre malfunzionamenti degli SSME mentre gli SRB erano in funzione avrebbero probabilmente causato la rottura del veicolo portando un eccessivo stress strutturale alle connessioni tra lOrbiter e il serbatoio esterno. Nemmeno se il malfunzionamento di due o tre SSME fosse avvenuto dopo il distacco degli SRB ci sarebbero state delle possibilità. Infatti lo Shuttle non avrebbe avuto sufficiente potenza per raggiungere la pista di atterraggio e gli studi avevano dimostrato che lammaraggio nelloceano non avrebbe lasciato superstiti. In definitiva, la perdita di un secondo o terzo SSME in ogni momento durante uno scenario di RTLS avrebbe portato ad una perdita del veicolo e dellequipaggio.

Dopo STS-51-L, numerose possibilità di interruzione furono previste. Da adesso, con due motori SSME non funzionanti, lequipaggio e il veicolo possono essere comunque in grado di sopravvivere in una grande porzione del volo di ascesa effettuando un ritorno e atterraggio alla base del lancio. Se andassero persi tutti e tre gli SSME ci sarebbe comunque una possibilità di salvezza, soprattutto dopo i primi 90 secondi dal lancio. Questo perché la struttura di attacco tra lOrbiter e il serbatoio esterno è stata rinforzata e quindi può resistere anche alle sollecitazioni dovute alla mancanza di spinta dei tre motori principali.

Una nuova e significativa opzione introdotta, fu la possibilità di abbandonare la navetta. Non si tratta di seggiolini eiettabili come negli aerei militari, ma di un sistema di fuoriuscita dellequipaggio durante il volo Inflight Crew Escape System ICES. Il veicolo si posiziona in una rotta stabile, grazie allautopilota e lequipaggio si cala per mezzo di una pertica verso unuscita posta sotto lala sinistra, per poi paracadutarsi sulla terra o sul mare. Esistono svariate possibilità in cui non sia raggiungibile la pista di atterraggio di emergenza e la navetta sia comunque integra e sotto controllo. Prima del disastro del "Challenger" accadde che proprio a questultima, durante la missione STS-51-F si riscontrò la perdita di un motore circa 345 secondi dopo il decollo. Un secondo SSME fece leggere delle temperature eccessivamente alte e fu prontamente spento dal centro di controllo. Se la perdita del secondo SSME fosse avvenuta entro i primi 20 secondi dalla perdita del primo, la navetta non avrebbe avuto sufficiente energia per attraversare lAtlantico per raggiungere una pista di atterraggio e, senza la possibilità di abbandonarla, lequipaggio sarebbe probabilmente andato perso. Per permettere labbandono dello Shuttle alle alte altitudini, lequipaggio adesso indossa una nuova tuta spaziale, chiamata Advanced Crew Escape Suit, durante le fasi di ascesa e discesa. Prima del disastro del "Challenger", gli astronauti, indossavano normali tute, fatta eccezione per i primi voli di test.

Unaltra soluzione del dopo Challenger è il cosiddetto "East Coast Abort Landings" ECAL Interruzione con atterraggio sulla East Coast. I lanci con grande inclinazione ad esempio tutti i lanci per la ISS adesso possono contare anche su di una pista di emergenza sulla East Cost.

Uninterruzione ECAL è simile al RTLS, ma invece di far atterrare lOrbiter al Kennedy Space Center, si proverebbe a farlo atterrare in un luogo lungo la east coast del nord America. Sono numerosi i siti presi in considerazione e vanno dal Sud Carolina e Bermuda fino ad arrivare a Terranova, in Canada. ECAL è considerata uninterruzione imprevista ed è meno preferibile ad uninterruzione programmata, principalmente perché cè poco tempo per scegliere il luogo di atterraggio e prepararsi per larrivo dellOrbiter. Infatti i luoghi per un ECAL non sono predisposti per ricevere latterraggio di un Orbiter.

Numerosi altri miglioramenti nelle procedure di interruzione sono state implementate, molti dei quali comprendono procedure software per gestire lenergia del veicolo nei vari scenari che possono capitare. Questi danno delle grandi possibilità di raggiungere una pista datterraggio demergenza nei vari casi di malfunzionamento dei motori principali.



                                     

3. Sistema di espulsione

Lipotesi di un sistema di espulsione, spesso chiamato Launch Escape System LES, è stato più volte proposto e discusso per lo Shuttle. Dopo le perdite di "Challenger e "Columbia" è stata posta un notevole interesse su questo sistema. Tutti i voli con equipaggio del programma americano, precedenti allo Shuttle, erano provvisti del launch escape system, ma non era mai stato usato. Un seggiolino eiettabile, derivato dal modello in uso sul Lockheed SR-71, era stato installato sui primi quattro voli dello shuttle tutte missioni con solo due membri dequipaggio, effettuati con la navetta Space Shuttle Columbia, e poi rimosso in seguito. I seggiolini eiettabili non furono proposti in seguito per le seguenti ragioni:

  • Non sarebbero stati dalcun aiuto durante un incidente in rientro come quello accaduto al Columbia. Eiettarsi durante il rientro sarebbe stato fatale a causa della alte temperature e alla forza del vento alle altissime velocità diversi mach.
  • Limiti nelle possibilità deiezione. I seggiolini eiettabili possono funzionare soltanto alla velocità massima di circa 2.692 nodi e allaltezza minima di 39.624 m. Questi valori rappresentano una limitata porzione del volo dello Shuttle, circa i primi 100 secondi sugli 8.5 minuti dellascesa.
  • È molto difficoltoso eiettare sette membri dequipaggio quando tre o quattro sono posti nel ponte di mezzo posti anteriormente e al centro della fusoliera, senza apportare pesanti modifiche alla struttura del veicolo.

Unalternativa ai sedili eiettabili è rappresentata dalla escape crew capsule o sistema despulsione della cabina, dove lequipaggio sì eietta dentro una capsula protettiva. Questi sistemi sono già stati usati in alcuni aerei militari. Il B-58 Hustler e lXB-70 Valkyrie usano lespulsione della capsula. Alcune versioni del General Dynamics F-111 e del Rockwell B-1 bomber usano invece lespulsione dellintera cabina.

Come i seggiolini eiettabili, anche lespulsione della capsula non è un sistema facile da implementare per luscita rapida dallo Space Shuttle. Infatti, alcuni membri dellequipaggio sono seduti nel ponte di mezzo, sotto ad unimportante struttura del veicolo.

Lespulsione della cabina potrebbe però essere daiuto per una grande porzione di volo dello Shuttle. A differenza dei seggiolini eiettabili fornisce protezione allequipaggio dalle alte temperature, dalle pressioni dovute al vento, dalle perdite dossigeno o vapori. In linea teorica la cabina eiettabile sarebbe in grado di resistere anche ad un rientro atmosferico, portando tuttavia ad un incremento dei costi, e allaumento della complessità progettuale e del peso. Lespulsione della cabina non è stata implementata per le seguenti ragioni:

  • Il sistema deiezione della cabina sarebbe risultato molto pesante andando ad incidere negativamente sulle possibilità di carico della navetta.
  • Leiezione della cabina è molto più complessa rispetto ai seggiolini eiettabili. Essa richiede il taglio dei cavi e dei condotti tra la cabina e la fusoliera. La cabina deve essere dotata di stabilizzatori aerodinamici per essere controllato dopo il distacco. Una grande cabina richiederebbe inoltre dei grandi paracadute con un sistema destrazione assai complesso. Per realizzare unespulsione sulla piattaforma di lancio, la cabina dovrebbe essere inoltre dotata di motori a razzo per portarla lontana dal complesso. Inoltre, bisogna considerare che lespulsione della cabina andrebbe a verificarsi in seguito a grossi problemi, magari poco prima che avvenga la disintegrazione della navetta. Sarebbe inoltre probabile che anche la cabina espulsa, possa riportare alcuni danni gravi come ad esempio ai paracadute o alle superfici di controllo, rendendola perciò inutile.
  • Sarebbero state richieste grandi modifiche alla struttura dello shuttle che avrebbero impiegato diversi anni per essere realizzate. Durante questo periodo il veicolo sarebbe stato inutilizzabile.
  • Lespulsione della cabina è un sistema molto costoso e rischioso da implementare in un sistema, quale lo Shuttle, in cui non era stato previsto in fase di progettazione. Se nel progetto originario ci fosse stata subito questa richiesta, sarebbe stato più semplice realizzarla.
  • Il sistema deiezione della cabina/capsula ha avuto scarso successo nella storia dellaeronautica, proprio a causa della sua complessità.
  • Si aggiungerebbe il rischio di avere un grande quantitativo di materiale esplosivo a bordo per consentire il distacco della cabina. Esisterebbe perciò la possibilità di una prematura o non voluta esplosione.