Disavventure spaziali - Vincenzo Torre 15 Giugno 2018 Deputy Director General Center for Near Space - Italian Institute for the Future
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Disavventure spaziali
Vincenzo Torre
Deputy Director General
Center for Near Space
15 Giugno 2018
Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Missioni spaziali – definizione e tipologie
❑ Missione spaziale:
è un volo nello o attraverso lo spazio esterno effettuato mediante il lancio da Terra di un
vettore con propulsione a razzo, dotato o meno di una capsula con equipaggio umano a
bordo, durante il quale sono assegnate le traiettorie orbitali e gli obiettivi da realizzare,
prevalentemente per finalità scientifiche e di esplorazione spaziale.
❑ Tipologie di missioni spaziali:
▪ traiettorie balistiche (con ricaduta al suolo): per voli di prova di lanciatori, razzi sonda
▪ orbite terrestri basse (LEO – Low Earth Orbit, 200-600 Km): per satelliti di
osservazione della superficie terrestre e dell’atmosfera, space tourism
▪ orbite geosincrone e geostazionarie (GSO, GEO): per satelliti per telecomunicazioni e
meteo
▪ orbite ellittiche: esplorazione dello spazio a varie distanze dalla superficie terrestre
(satelliti scientifici, sonde di esplorazione, Space Shuttle, Sojuz, Progress, ISS (330-
410 Km di altitudine))
▪ missioni cis-lunari: earth-orbiting, docking-undocking, rendezvous (Mercury, Gemini;
Vostok, Voskhod)
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Missioni spaziali – definizione e tipologie -2
▪ missioni lunari: fly-by, impatto, soft-landing, con equipaggio umano di andata e ritorno
(Apollo)
▪ missioni interplanetarie: su altri pianeti/asteroidi, per fly-by, impatto, soft-landing,
esplorazione con mezzi robotici, di andata e ritorno
▪ missioni interstellari: ad oggi di interesse speculativo, per identificare i problemi di
astrodinamica e propulsivi
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Una missione spaziale è un “programma” a varie fasi ➢ Pre-Formulation: Pre-Phase A: Concept studies (fattibilità tecnica e compatibilità generale, mission requirements, etc.) ➢ Formulation: Phase A: Concept and Technology Development Phase B: Preliminary Design and Technology Completion (specifiche di Sistema, Design to Specs, tecnologie, configuration mngt, etc.) ➢ Implementation: Phase C: Final Design and Fabrication Phase D: System Assembly, Integration and Test, Launch Phase E: Operation and Sustainment Phase F: Closeout (produzione, assemblaggio, integrazione sistemi, tests e verifiche, operations & support, decommissioning) Vengono applicate le metodologie del System Engineering e del Project/Program Management Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Ciclo vita di un progetto/programma (Life-Cycle Cost) – impatti del decision making nelle varie fasi Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Problematiche e criticità delle missioni spaziali Isoliamo alcune caratteristiche delle missioni spaziali costituenti fattori di rischio e potenziali cause di incidenti: ➢ Complessità dei sistemi ➢ Velocità, accelerazioni, energie in gioco ➢ Propellenti e propulsori ➢ Extra Vehicular Activity (EVA) Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Problematiche e criticità delle missioni spaziali 1 – complessità dei sistemi ➢ Apollo Command Module (anni ’60-’70): 640 interruttori e indicatori ➢ Space Shuttle cockpit (anni ’80): 2000 interruttori, 9 displays, 2.500.000 di parti, 380 Km di cablaggi elettrici, più di 1060 condotti e tubazioni, 27000 insulating tiles Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Problematiche e criticità delle missioni spaziali 1 – complessità dei sistemi ➢ Orion cockpit (1° volo di prova 5 Dic 2014): ➢ 3 displays, flight computer con 2 processori IBM PowerPC 750FX usati nell’ Apple iBook G3 (2003), meno potenti di un odierno smartphone (simile al chip di un Samsung Galaxy S3). Ma… ➢ 4000 volte più veloce del computer dell’Apollo (con storage tot di 64K e chip a 43 KHz !!) ➢ 400 volte più veloce del computer dello Space Shuttle ➢ 25 volte più veloce di quello utilizzato sulla ISS Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Problematiche e criticità delle missioni spaziali
2 – velocità, accelerazioni, energie in gioco
❑ Saturno V (razzo vettore) – Apollo 11 (AS-506):
➢ Alt. 110,6m, diam 10,1m
➢ Peso Totale at lift-off 2.970.000 Kg
➢ Payload to LEO 140.000 Kg
➢ Payload at TLI 48.600 Kg
➢ S-IC main stage engines:
➢ 5 liquid fuel Rocketdyne F1 engines
spinta nominale 3.469.100 Kg
➢ Specific Impulse (SI) 263 sec (2,58 Km/sec)
➢ Energia/Buran (Russia) spinta 3.550.000 Kg
➢ Delta IV (USA) spinta 28.800 Kg
➢ Atlas V (USA) spinta 18.814 Kg
➢ SpaceX Falcon 9 (USA) spinta 694.000 Kg (9 Merlin engines)
SpaceX Falcon Heavy (USA) spinta 2,327,000 Kg (3cores x 9 Merlin engines)
➢ Ariane 5 ES (Europa) 20.866 Kg
➢ Proton-M (Russia) 22.226 Kg
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Problematiche e criticità delle missioni spaziali
2 – velocità, accelerazioni, energie in gioco
➢ Apollo 8 (AS-503) (Dic 1968): inserimento in orbita lunare da 28.163 Km/hr a 37.000 Km/hr in 318 sec
➢ Apollo 10 (AS-505) (Mag 1969): velocità di rientro in orbita terrestre 39.847 Km/hr, Mach 37,52
➢ Temperatura generata sulla superficie capsula al rientro 3300°C-3870°C
➢ Accelerazione in rientro 6,8 g
➢ STS –Space Shuttle
➢ Peso at lift-off 2.000.000 Kg
➢ Spinta 35000 KN (3.500.000 Kg)
➢ Quota orbitale 185-590 Km
➢ Velocità orbitale 28.160 Km/hr
➢ Decelerazione al rientro da 28.160 Km/hr a 346 Km/hr all’atterraggio
(glider al rientro) in 1hr 5’…..circa -7000 Km ogni 15’
➢ Temperatura generata sulla superficie orbiter al rientro 927°C-1600°C
➢ STS-51L Challenger orbiter (Gen 1986):
➢ velocità impatto cabina crew: 331 Km/hr
➢ decelerazione all’impatto (in acqua) pari a oltre 200g
Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy ChapterProblematiche e criticità delle missioni spaziali 3 – propellenti e propulsori ➢ S-IC Saturn: RP-1 combustibile 828.600 lt / LOx ossidante 1.300.600 lt ➢ Space Shuttle External Tank (ET): LH2 102.737 Kg / LOx 619.160 Kg ➢ Solid Rocket Booster (SRB): spinta 1.497.00 Kg/ognuno ➢ SSME (Space Shuttle Main Engine RS-25): spinta 178.718 Kg a S.L. e 223.171 Kg nel vuoto 1082 tubazioni di raffreddamento lungo il diametro temperatura di combustione 3315°C velocità delle turbopompe 567 rps potenza palette turbina = 700 HP/ogni paletta pressione fluidi nei condotti = 7000 psi (480 atm) Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Problematiche e criticità delle missioni spaziali 4 – Extra Vehicular Activity (EVA) ➢ 18 Mar 1965: Alexei Leonov in Capsula Voskhod 2 Prima «passeggiata spaziale». Dopo 12 minuti di EVA la tuta si gonfia eccessivamente a causa della diversità di pressione impedendogli il rientro in capsula ➢ Anni ’60, Programma Gemini: episodi quasi fatali di stanchezza, eccessiva sudorazione, annebbiamento dei visori del casco, mancanza di «appigli» esterni per movimentazione ➢ 10 Feb 2001: STS-98, Robert Curbeam e Thomas Jones Esposizione ad ammoniaca durante manovra di collegam tubazioni di raffreddamento in un modulo di laboratorio; Cristalli di ammoniaca di 2-3 cm depositati su visore e tuta di Curbeam a causa di una valvola in avaria. Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Perchè gli incidenti nelle missioni spaziali ✓ Un rischio mal valutato o coscientemente sottostimato ✓ Informazioni/conoscenze non condivise ✓ Assenza di supervisione ed attenzione del management ✓ Management hubrys - complacency ✓ Assenza di responsabilità personale (accountability) da cui consegue negligenza ✓ Sovrastima dell’affidabilità ✓ Cultura aziendale, eccesso di sicurezza dovuta al prestigio Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
L’importanza della Space Safety ➢ La consapevolezza di avere sistemi estremamente affidabili ha condotto ad un ripensamento della materia Sicurezza ➢ Criteri di progetto in sicurezza, e tecniche di hazard analysis non insegnate nelle scuole di Ingegneria aerospaziale ma oggetto di apprendimento «specialistico» (system specialists) ➢ La comunità di Systems Engineering è divenuta più consapevole che: La sicurezza deve esser «progettata» sin dall’inizio, per evitare escalation di rischi e costi, eccessi di waivers e incidenti devastanti Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Il ruolo della Space Systems Safety
➢ System Safety:
«la qualità che consente ad un sistema di funzionare in predeterminate
condizioni con un accettabile e minimo rischio di perdita accidentale»
(Roland & Moriarty, System Safety Engineering and Management, Wiley, 1990)
➢ System safety assessment is a disciplined, systematic approach to the analysis
of risks resulting from hazards that can affect humans, the environment, and
mission assets. It is a critical first step in the development of risk management
strategies. System safety covers the total spectrum of technical risk and
management activities including safety and risk assessments and safety
performance monitoring.
(NASA General Safety Program Requirements, NASA NPR 8715.3D,
August 01, 2017)
In definitiva il ruolo della Sicurezza (Safety) è quello di
minimizzare il rischio
Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy ChapterImplicazioni ed impatti della sicurezza spaziale Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
Significant Incidents & Close Calls (NASA Flight Safety Office) Project Management Institute CNS proprietary Southern Italy Chapter
«No one wants to learn by mistakes, but we cannot
learn enough from successes to go beyond the state of
the art»
Henry Petroski (To Engineer is Human)
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