VEICOLI SPAZIALI RIUTILIZZABILI COME GLI AEREI? IL FUTURO È GIÀ DOMANI

L’esplorazione dello spazio affascina da sempre l’uomo e negli ultimi 70 anni si sono compiuti passi da gigante in questo campo: dal primo uomo nello spazio al primo sulla Luna, passando per i rover su Marte e concludendo con l’imminente turismo spaziale. Tuttavia, uno dei problemi principali dei viaggi oltre l’atmosfera restano i rifiuti spaziali: non è certo un caso, che sempre più progetti si stiano orientando verso la realizzazione di veicoli spaziali riutilizzabili.

I RLV (Reusable Launch Vehicles) sono progettati per essere recuperati e impiegati in più missioni. L’obiettivo è duplice: abbattere significativamente i costi di accesso allo spazio e incrementare la frequenza dei lanci, favorendo l’espansione delle attività spaziali sia a livello istituzionale che commerciale.

La strada però verso la conquista delle flotte spaziali da parte dei veicoli riutilizzabili è ancora lunga. Infatti, restano da risolvere tutta una serie di sfide ingegneristiche alquanto complesse. Quali sono? Nelle prossime righe osserveremo tutte le diverse criticità e faremo il punto sui progetti attualmente in corso.

Qual è stato il primo veicolo spaziale riutilizzabile?

L’idea di un veicolo spaziale riutilizzabile non è certamente nuova. Il primo grande programma che tentò di far proprio questo concetto fu il celebre Space Shuttle della NASA, operativo tra il 1981 e il 2011. 

Il sistema prevedeva un orbiter con ali riutilizzabile e due booster a propellente solido recuperabili, mentre il serbatoio esterno veniva perso a ogni missione. Nonostante le prerogative, lo Shuttle si trovò ben presto a fare i conti con costi operativi eccessivi, complessità di manutenzione e i lunghi tempi di revisione tra un volo e l’altro.

A partire dagli anni ’90 iniziarono a svilupparsi diversi progetti di razzi riutilizzabili verticali. Tra i più significativi vi è il DC-X (Delta Clipper Experimental), sviluppato nei primi anni ’90 dalla McDonnell Douglas per conto della US Air Force. 

Il DC-X fu il primo veicolo a dimostrare decolli e atterraggi verticali (VTOL) in modo ripetuto e controllato, aprendo la strada alle tecnologie impiegate decenni dopo da SpaceX e Blue Origin. Anche se il progetto fu chiuso per mancanza di fondi, le lezioni tecniche apprese furono fondamentali per le generazioni future di lanciatori.

Negli stessi anni, altri studi teorici proposero l’utilizzo di sistemi monostadio orbitale (SSTO – Single Stage to Orbit), come il VentureStar della Lockheed Martin o il britannico HOTOL. Il principio del loro funzionamento si basava sulla capacità di raggiungere l’orbita terrestre utilizzando un solo stadio di propulsione, senza sganciare alcuna parte del veicolo durante il volo.

La finalità era quella di ridurre ulteriormente i costi operativi eliminando gli stadi separabili (le parti che i classici razzi liberano una volta entrati in orbita), ma le difficoltà nel rapporto peso-spinta e nella gestione termica impedirono la loro realizzazione concreta.

Infine, negli anni 2000, il concorso Ansari X Prize sfidò i candidati a costruire e lanciare un veicolo spaziale riutilizzabile capace di effettuare due voli suborbitali entro due settimane. Il vincitore fu SpaceShipOne, sviluppato da Scaled Composites: un piccolo veicolo a decollo aereo che effettuò con successo entrambi i voli nel 2004, ponendo le basi per i futuri sistemi turistici di Virgin Galactic, che osserveremo nel prossimo paragrafo.

SpaceX, Blue Origin e Virgin Galactic: le innovazioni portate dal settore privato

La svolta decisiva per la progettazione dei veicoli spaziali riutilizzabili si deve all’ingresso di attori privati nel settore. 

A partire dagli anni 2010, l’azienda SpaceX ha dimostrato per prima la fattibilità tecnica ed economica del riutilizzo. Il Falcon 9, grazie alla capacità di recuperare il primo stadio tramite atterraggio verticale assistito da propulsione, ha rivoluzionato il concetto stesso di lancio orbitale. L’azienda ha affinato progressivamente le tecniche di rientro e oggi riutilizza regolarmente booster e carenature, contribuendo a ridurre i costi dei lanci fino al 40%.

In parallelo, Blue Origin ha sviluppato il veicolo New Shepard, progettato per voli suborbitali turistici. Questo sistema consente il recupero sia della capsula pressurizzata per i passeggeri, sia del modulo di spinta, grazie a una sequenza di rientro controllato.

Una visione alternativa è quella di Virgin Galactic, che utilizza un approccio a rilascio aereo con il sistema SpaceShipTwo: un velivolo suborbitale lanciato da un aereo madre e rientrante su pista. Questa configurazione riduce i consumi iniziali e consente atterraggi più convenzionali, semplificando alcune fasi del volo.

E l’Europa che fa?

L’Europa non è restata sicuramente a guardare. Negli ultimi anni ha avviato una serie di progetti coordinati sotto l’egida dell’ESA e con il supporto di enti nazionali come l’ASI. 

Il più avanzato tra questi è Space Rider, una navetta spaziale automatizzata. Il veicolo sarà lanciato dal vettore Vega C, rimarrà in orbita per circa due mesi e sarà in grado di trasportare fino a 800 kg di carico utile, eseguendo esperimenti in microgravità e testando nuove tecnologie spaziali.

Parallelamente, ESA e ArianeGroup stanno sviluppando il motore Prometheus, progettato per essere modulare, economico e riutilizzabile, grazie all’impiego di propellenti criogenici a base di metano e ossigeno liquido. 

Questo propulsore alimenterà il dimostratore Themis, un primo stadio riutilizzabile che sarà oggetto di test incrementali presso la base Esrange in Svezia. L’obiettivo a medio termine è disporre di un lanciatore orbitale europeo interamente riutilizzabile e competitivo sul mercato globale.

Perché è così difficile realizzare veicoli spaziali riutilizzabili?

Uno dei principali limiti al riutilizzo risiede nella necessità di sviluppare strutture capaci di tollerare condizioni estreme senza degradarsi, in particolar modo nella fase del rientro atmosferico. In questo ambito si inserisce il progetto AM3aC2A (AMACA), coordinato dal Politecnico di Milano in collaborazione con CIRA, ISSMC-CNR e l’azienda Petroceramics S.p.A., con il supporto dell’ASI. Il programma ha sviluppato una nuova generazione di compositi ceramici (CMC e UHTCMC) in fibra di carbonio con matrice ceramica, resistenti a temperature fino a 2000°C.

I materiali sono stati sottoposti a test in gallerie al plasma, simulando le condizioni del rientro atmosferico. Le campagne sperimentali hanno permesso di identificare modelli predittivi del danno termico e meccanico, consentendo la realizzazione di componenti leggeri, rigidi e tolleranti al danneggiamento, in grado di ridurre le ispezioni e semplificare la manutenzione tra i voli.

Negli Stati Uniti invece un team di ingegneri della Texas A&M University e della startup Canopy Aerospace sta testando un materiale innovativo in carburo di silicio poroso stampato in 3D, capace di rilasciare gas refrigerante durante il rientro atmosferico.

Questa tecnologia – definita raffreddamento per traspirazione – sfrutta le proprietà isolanti del gas per disperdere il calore, evitando l’impiego di piastrelle ceramiche fragili o scudi ablativi che si consumano ad ogni volo.

Le altre sfide ingegneristiche per i veicoli spaziali riutilizzabili

Al di là della sfida ingegneristica della protezione termica, i veicoli riutilizzabili devono trasportare masse aggiuntive, come sistemi di atterraggio, carburante residuo o scudi termici resistenti, che riducono la capacità di carico utile o impongono un aumento delle dimensioni complessive.

Altro aspetto da non sottovalutare è quello economico: i costi di sviluppo, collaudo e certificazione di un RLV sono significativamente superiori a quelli di un classico sistema expendable, e il ritorno dell’investimento dipende dalla frequenza di utilizzo e dalla standardizzazione della manutenzione post-volo.

L’obiettivo dichiarato da molte agenzie e aziende è quello di raggiungere una operatività “aerea” dei lanci spaziali, con veicoli in grado di decollare, rientrare e ripartire in tempi brevi, limitando l’impatto ambientale e i costi. 

Come l’endoscopia industriale può contribuire ai progetti dei veicoli spaziali riutilizzabili?

Nei veicoli spaziali riutilizzabili, l’integrità dei componenti interni ed il loro corretto funzionamento è fondamentale per garantire il successo delle missioni ripetute. I videoendoscopi consentono di effettuare il controllo non distruttivo delle parti più sensibili e difficilmente accessibili. Le sonde vengono sfruttate per ispezionare l’interno di motori, camere di combustione e strutture portanti senza la necessità di smontaggi invasivi.

L’endoscopia industriale si sposa perfettamente con il concetto di economicità che contraddistingue i veicoli spaziali riutilizzabili. Infatti, i controlli effettuati con questi strumenti da un lato velocizzano le operazioni di manutenzione e dall’altro eliminano le faticose e costose spese di smontaggio laddove non necessarie.

L’impiego dell’endoscopia è utile per individuare microfessure, residui e deformazioni causati dagli intensi stress termici e meccanici tipici del rientro atmosferico e delle fasi propulsive. In particolare, nelle turbine e nei compressori di un veicolo riutilizzabile, la possibilità di rilevare anomalie incipienti è indispensabile per evitare che piccoli difetti si trasformino in danni irreversibili tra un volo e l’altro.

Inoltre, la registrazione di immagini e video rende possibile documentare in modo sistematico l’evoluzione di ogni difetto osservato, creando un archivio storico utile per pianificare interventi di manutenzione predittiva. 

Nel corso degli anni Fiber Optic ha collaborato con numerose aziende operanti nel settore dell’aerospazio: siamo pronti a mettere tutta la nostra esperienza e professionalità a servizio dell’innovazione del futuro!