Analisi aerotermodinamica ad alta quota della capsula di rientro della missione MARCO POLO

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Introduzione. 
 
 
 
L'osservazione e lo studio della volta celeste sono pratiche antiche quanto 
la storia dell'umanità. Tuttavia, solo nell'ultimo secolo l'uomo è riuscito in 
quel salto tecnologico che ci ha permesso di "mettere il naso fuori dal 
nostro effimero pianeta" e di avventurarci verso l'immensità del cosmo.  
Questa lenta evoluzione in ambito spaziale continua tutt'ora, con la 
progettazione di missioni esplorative che pian piano assumono i connotati 
del fantascientifico. 
Tra queste si inserisce a pieno titolo la missione Marco Polo, sviluppata da 
un team di ricercatori dell'ESA e della Japanese Aaerospace Exploration 
Agency e proposta nell'ambito del programma Cosmic Vision.  
Il progetto Marco Polo fa riferimento a quella tipologia di programmi cui 
appartiene Stardust, missione condotta tra il 1999 ed il 2006 dalla NASA, il 
cui scopo primario è stato quello di effettuare un incontro ravvicinato con
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la cometa Wild-2 per poi prelevarne un campione dei gas e delle polveri 
dalla coda e portarlo integro sulla Terra per delle analisi di laboratorio. Il 
successo di questa missione ha quindi spinto i ricercatori a porsi obiettivi 
sempre più ambiziosi e tra questi spicca quello di Marco Polo: raccogliere e 
poi trasportare sul nostro pianeta campioni inalterati da un Near-Earth 
Asteroid, ovvero un asteroide primitivo molto prossimo alla Terra. In tal 
modo, si vuole contribuire a comprendere l'origine e l'evoluzione del 
sistema solare, la sintesi degli elementi, l'origine della vita e anche a 
fornire importanti informazioni sugli asteroidi di classe primitiva. 
Il segmento spaziale del profilo di missione comporta trasferimenti 
interplanetari di andata e ritorno; un'orbita intorno all'asteroide; la 
discesa, il campionamento, e la ri-salita dalla superficie dell'asteroide; il 
rientro sulla Terra. 
Al fine di valutare la fattibilità della missione e per avere design 
preliminari per il veicolo spaziale e per la capsula di rientro (nota anche 
come Earth Re-entry Capsule), l'ESA ha finanziato tre progetti differenti 
ad altrettanti consorzi europei: Astrium Ltd, OHB System e Thales Alenia 
Space. 
Le sfide principali di questo genere di missioni sono l'ingresso planetario 
di veicoli dotati di grandi dimensioni, l'elevatissima velocità di rientro che 
caratterizza i moduli ERC e la stabilità dinamica di corpi affusolati 
durante l'entrata nell'atmosfera e durante la fase di discesa. 
Sfortunatamente, sebbene diversi studi hanno certificano l'accuratezza e 
l'adeguatezza delle strutture che compiono test sulla Terra e delle 
strumentazioni per le simulazioni di ingresso orbitale, ancora non esistono 
altri in grado di dare informazioni più dettagliate e più approfondite 
riguardo questi argomenti.
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Il presente lavoro di tesi è volto, quindi, alla realizzazione di un'accurata 
analisi aerotermodinamica di un'eventuale capsula della missione Marco 
Polo, durante la fase di rientro ad alta quota. Più specificamente lo studio 
sarà focalizzato sulla valutazione della stabilità longitudinale della capsula 
e sulla stima dei valori del flusso di calore e del carico termico al punto di 
ristagno, che rappresentano delle quantità fondamentali per il 
dimensionamento del rivestimento termico e per la salvaguardia quindi 
dei campioni. I veicoli in rientro da missioni orbitali e interplanetarie sono  
caratterizzati, infatti, da velocità di circa 7 8 Km/s e 11 Km/s 
rispettivamente, e, per effettuare l’atterraggio in condizioni di sicurezza è 
necessario rallentare il veicolo, ovvero trasformare l’energia cinetica da 
esso posseduta in altre forme che non danneggino la capsula ed il suo 
contenuto. 
Lo studio ha permesso, pertanto, la valutazione delle grandezze 
aerotermodinamiche che caratterizzano il campo di moto durante un 
tipico rientro atmosferico nell'intervallo di quote 70 ÷ 120 Km.  
In questa trattazione verranno illustrate, pertanto, le problematiche legate 
al rientro atmosferico ed i vari regimi di moto cui è soggetta la capsula 
durante il rientro. In particolare, verrà descritto il regime di moto che 
caratterizza le alte quote, ovvero il regime di transizione e la sua 
complessa fenomenologia, che rende pressoché impossibile trovare una 
soluzione esatta al campo di moto. 
Introdurremo, quindi, il metodo con cui abbiamo scelto di operare, il 
Direct Simulation Monte Carlo (DSMC), il cui pregio fondamentale è quello 
di fornire una valida alternativa per la risoluzione di quei campi di moto 
caratterizzati dal regime rarefatto. Nel presente lavoro, in particolare, sono 
stati utilizzati due codici che si basano sulla teoria del DSMC: il DS2V per
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calcolare le quantità locali ed il DS3V per calcolare i coefficienti 
aerodinamici globali in funzione del l'angolo di attacco. 
Si discuterà quindi dei risultati ottenuti, sia in relazione a quelli ottenuti 
con il codice DS2V, sia in relazione alle simulazioni effettuate in DS3V.
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1. Le missioni spaziali e Marco Polo 
 
 
 
Il desiderio di conoscenza dell'universo trova le sue origini in epoche 
antiche quanto la nascita dell'uomo.  
I primi astronomi si occuparono dell'osservazione e della previsione dei 
movimenti degli oggetti celesti servendosi unicamente della propria vista 
o di qualche attrezzo rudimentale. Con il passare dei secoli, il 
perfezionamento di strumenti sempre più innovativi e specializzati ha 
favorito una continua evoluzione delle tecniche di studio: con l'invenzione 
del telescopio, per esempio, l'uomo è riuscito ad indagare più a fondo 
sulle dinamiche celesti, aprendo una finestra sull'universo e le sue regole.  
Tuttavia, a partire dal XX secolo, l'avvento delle missioni spaziali ha 
permesso all'umanità di avventurarsi verso il buio vuoto dello spazio, 
cambiando per sempre il punto di vista sul nostro pianeta e sulla relazione 
che ci lega all'Universo in cui risiediamo. L'esplorazione del cosmo, nostra 
frontiera al di là del sistema solare, avvenuta prima con satelliti, poi con 
sonde robotiche ed infine con l'uomo, ha dato vita ad un'ampia industria 
spaziale che influenza le nostre economie e le nostre vite.
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Le basi del volo spaziale e dell'esplorazione moderna furono poste dal 
matematico russo Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935) che nei suoi lavori 
descrisse esempi di razzi multi-stadio e di navicelle alate. Tali "prototipi" 
avrebbero poi ispirato la realizzazione dello Space Shuttle, sviluppato nel 
1970, della stazione MIR e dell' International Space Station. Quando poi, 
nell'Ottobre del 1942, il razzo V-2, ideato da Wernher von Braun e dal suo 
team di ricercatori a Peenemünde in Germania, compì per la prima volta 
una traiettoria di volo balistica e quindi sub-orbitale, l' "era spaziale" poté 
considerarsi cominciata. L'Unione Sovietica, infatti, dopo la Seconda 
Guerra Mondiale, approfittò della possibilità di modificare i razzi militari 
recuperati, come i V-2, in vettori per il lancio di satelliti e nel 1948 avviò il 
programma Sputnik, il cui primo obiettivo venne raggiunto  il 4 Ottobre 
1957, giorno in cui fu lanciato nello spazio lo Sputnik 1 (Fig.1.1) che 
divenne il primo satellite artificiale in orbita della storia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.1 - Il satellite artificiale Sputnik 1. 
 
Dopo circa un mese, il 3 Novembre 1957, venne lanciato anche lo Sputnik 
2, con a bordo il cane Laika, che divenne il primo essere vivente ad aver 
orbitato intorno alla Terra. Quest'ultima missione non prevedeva il
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recupero della capsula ospitante la cagnetta, cosa che era ovviamente 
richiesta per un'ipotetica missione con equipaggio umano. Il 12 Aprile 
1961 i sovietici riuscirono così nell'impresa di lanciare il Vostok-1 con un 
essere umano a bordo: si trattava di Jurij Gagarin, il primo uomo nello 
spazio. La Vostok-1 fu anche la prima missione a prevedere un rientro, e 
necessitò quindi di un mezzo, la capsula di rientro appunto, in grado di 
riportare sulla Terra il passeggero integro.  Nella capsula era presente un 
unico abitacolo e lo spazio era appena sufficiente a contenere una sola 
persona.  
I successi delle missioni Sputnik e Vostok furono per l' Unione Sovietica, 
oltre che motivo di vanto, un segno della loro superiorità nei confronti dei 
rivali nella "corsa allo spazio", gli Stati Uniti, che però di lì a poco 
avrebbero lanciato Alan B. Shepard a bordo della Mercury per un volo sub-
orbitale e successivamente John H. Glenn, che divenne il primo uomo a 
completare tre orbite intorno alla Terra. Nello stesso anno, inoltre, gli 
statunitensi inviarono la prima sonda in viaggio interplanetario verso 
Venere, la Mariner II, mentre, nel 1964 Mariner IV fu inviata verso Marte.  
Il 1964 è anche l'anno del Gemini, programma di sperimentazione di 
capsule orbitali con due astronauti a bordo, e del Ranger 7 che riuscì ad 
impattare il suolo lunare, ponendo difatti le basi per un possibile 
allunaggio. La missione Ranger era inserita nell'ambito del programma 
Apollo, il cui obiettivo era quello di far arrivare l'uomo sulla Luna entro il 
1970, obiettivo che venne raggiunto il 21 Luglio del 1969, giorno in cui un 
essere umano, Neil Armstrong, pose per la prima volta piede sul nostro 
satellite.  
A seguito degli enormi passi avanti fatti in ambito tecnologico dagli Stati 
Uniti e dall'U.R.S.S., che nel 1971 lanciò la prima stazione orbitante Saljut
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1, in Europa prese sempre più corpo l'idea della creazione di un potere 
indipendente nel campo spaziale, ed il 30 Maggio 1975, con la fusione dell' 
European Launcher Development Organisation e dell'European Space Research 
Organisation, fu fondata l' European Space Agency. 
Approfittando della notevole contrazione che aveva subito la corsa allo 
spazio delle due superpotenze verso la fine degli anni '70, l'ESA si affermò 
come precursore nell'esplorazione spaziale, riunendo la NASA e il Regno 
Unito sotto il progetto dell'International Ultraviolet Explorer, il primo 
telescopio orbitale, che venne lanciato nel 1978 e che operò correttamente 
per 18 anni. Dopo i numerosi successi nell'orbita terrestre, nel 1986 l'ESA 
lanciò la missione Giotto, la prima missione nello spazio profondo per 
studiare la cometa di Halley e la Grigg-Skejllerup.  
L'incremento del numero di missioni, della loro complessità e quindi delle 
relative spese, rese necessaria la realizzazione di una navicella che sarebbe 
stata completamente riutilizzabile e che avrebbe abbattuto gli ingenti costi 
di produzione e di gestione. L'idea di progettare una navetta del genere fu 
già sviluppata negli Stati Uniti ad inizio anni '70 nell'euforia dei successi 
delle missioni Apollo, tuttavia la Guerra Fredda e la Guerra nel Vietnam 
frenarono il progetto che poté essere inaugurato solo più tardi con il nome 
di Space Transportation System, più noto come Space Shuttle. Il primo volo 
spaziale di uno Space Shuttle, il Columbia, avvenne il 12 Aprile 1981 con la 
missione STS-1: la navetta, con al comando l'esperto astronauta John W. 
Young e con Robert Crippen come pilota, realizzò diciassette orbite in 
poco più di due giorni, rientrando in sicurezza presso la Edwards Air Force 
Base.  
Il progresso nell'esplorazione spaziale avuto negli ultimi 50 anni e le 
continue scoperte hanno indotto l'uomo ad indagare più a fondo sulla
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natura del nostro universo e la realizzazione dell'International Space Station, 
una stazione spaziale orbitale permanente, ed il successo di missioni come 
la Mars Pathfinder, durante la quale il rover Sojouner per la prima volta 
toccò il suolo marziano, rappresentano solo i primi passi. Il futuro della 
ricerca spaziale sarà segnato da programmi sempre più ambiziosi e da 
missioni che fino a qualche tempo fa sarebbero sembrate pura 
fantascienza. Un esempio è la sonda Stardust, lanciata dalla NASA il 7 
febbraio 1999: durante la missione la sonda ha raccolto dallo spazio alcune 
molecole e frammenti provenienti dalla cometa Wild-2, grazie ad uno 
speciale materiale a bassissima densità chiamato aerogel, e ha anche 
incontrato la cometa Tempel-1 il 14 febbraio 2011. La missione è terminata 
il 24 marzo 2011, quando la sonda ha esaurito tutto il combustibile. 
Durante il rientro, la capsula ha mostrato, in fase di decelerazione da 
Mach 10 a Mach 7, una riduzione della stabilità statica longitudinale di un 
fattore pari a 2.5. I forti venti, inoltre, l'hanno fatta deviare di qualche 
miglio dalla traiettoria prevista, atterrando nel deserto dello Utah il 15 
gennaio 2006 (Fig.1.2). In seguito, il container è stato portato nel Johnson 
Space Center dove sono stati prelevati i campioni successivamente inviati ai 
laboratori di tutto il mondo (per l'Italia se ne occupa l'Istituto Nazionale di 
Astrofisica). 
 
Fig.1.2 – Capsula di rientro della missione Stardust poco dopo il suo atterraggio