Gli ingegneri della NASA al Kennedy Space Center lavorano per prevedere e resistere alle vibrazioni del lancio dei razzi

I razzi sopportano forze fisiche violente durante il tragitto verso lo spazio. Mentre i motori ruggiscono e il veicolo accelera attraverso l’atmosfera, la struttura può flettersi, vibrare, scuotersi e trasmettere vibrazioni e urti intensi—proprio il tipo di condizioni che può danneggiare strumenti scientifici sensibili o ridurre la vita operativa dell’hardware di volo. Molto prima di un lancio, gli ingegneri della NASA lavorano per prevedere queste sollecitazioni e verificare che sia i razzi sia i veicoli spaziali siano in grado di tollerarle.

Presso il Kennedy Space Center della NASA in Florida, gli ingegneri del Dynamic Environments Group, all’interno del Launch Services Program Office dell’agenzia, hanno rinnovato il modo in cui eseguono queste previsioni. Adattando uno strumento di ingegneria digitale disponibile in commercio e formalizzando un flusso di lavoro ripetibile, il team ha costruito un approccio standardizzato alla modellazione a elementi finiti, volto a rafforzare l’analisi di urti e vibrazioni per il lancio e l’ascesa.

“Questo metodo basato su computer aiuta a prevedere come razzi e veicoli spaziali si comportano in condizioni estreme prima che l’hardware venga costruito e contribuisce a individuare per tempo punti deboli e potenziali rischi di guasto, così che il team possa affrontare le evidenze emerse”, ha dichiarato Brian Beaver, responsabile della Flight Analysis Division nel Launch Services Program Office al Kennedy.

L’analisi a elementi finiti (finite element analysis, FEA) è un metodo di simulazione che rappresenta una struttura complessa come un insieme di molte parti più piccole, consentendo ai computer di stimare come l’intero sistema risponderà a carichi specificati. Per lanciatori e payload, ciò può significare modellare come i livelli di vibrazione casuale e gli eventi d’urto si propagano attraverso le strutture e fino ai componenti montati. Il vantaggio è nei tempi: i problemi individuati in fase di analisi possono essere corretti a terra, mentre quelli scoperti dopo il decollo in genere non possono essere riparati.

Il nuovo flusso di lavoro mira a rendere più semplice usare questa capacità in modo coerente. Storicamente, gli ingegneri dei dynamic environments hanno spesso stimato le condizioni di urto e vibrazione ricorrendo a regole empiriche o scalando dati di missioni precedenti. Queste pratiche si sono dimostrate efficaci, ma dipendono in larga misura dal giudizio ingegneristico e da assunzioni semplificate. Inoltre, poiché molti ingegneri utilizzano gli strumenti FEA solo occasionalmente per attività legate ai dynamic environments, possono perdere tempo ogni volta a reimparare passaggi di modellazione specialistici quando serve una nuova analisi.

L’approccio del team del Kennedy sostituisce gli strumenti più datati con un template standardizzato che guida gli utenti attraverso i passaggi chiave per valutare i profili di vibrazione e le condizioni d’urto. Secondo gli ingegneri, questo migliora sia la rapidità sia la completezza, riducendo al contempo la quantità di modellazione manuale che in precedenza era necessaria.

Il gruppo ha recentemente messo il metodo al lavoro durante le attività di certificazione per il razzo di un fornitore commerciale di lanci scelto per una missione della NASA. L’azienda ha fornito i dati di test sulle vibrazioni, ma non includeva prove d’urto. Il Dynamic Environments Group ha stabilito che i test d’urto erano necessari e ha utilizzato il nuovo template per eseguire confronti “what-if”, visualizzare la risposta strutturale del razzo e affrontare questioni che in passato avrebbero richiesto una modellazione più laboriosa. Lo sforzo ha anche aiutato il team a confermare i risultati dei test del fornitore sull’ambiente di volo e ha fornito ulteriori indicazioni sui carichi d’urto durante il trasporto.

«Stiamo usando uno strumento che esiste da decenni, ma che normalmente non viene impiegato nelle discipline degli ambienti dinamici», ha dichiarato Alex Hardt, ingegnere aerospaziale presso il Launch Services Program Office di Kennedy. «Ma stiamo cambiando le cose. Lo stiamo usando in un’area relativamente nuova della dinamica».

Hardt ha sottolineato che, anche quando razzi e veicoli spaziali sono progettati per sopportare queste condizioni, vibrazioni e urti possono comunque contribuire all’usura — o, nei casi peggiori, ai guasti — soprattutto durante il lancio e l’ascesa. «Definiamo quanto siano severi i livelli di vibrazione casuale e i livelli di shock, e poi verifichiamo che tutte le parti che andranno sui razzi futuri siano state testate a quei livelli, massimizzandone la longevità», ha detto.

Perché è importante

La NASA fa sempre più affidamento su fornitori commerciali di lanci, aumentando la posta in gioco per una verifica coerente e rigorosa degli ambienti fisici che i payload dovranno affrontare. Un flusso di lavoro standardizzato di modellazione a elementi finiti (finite element modeling) può aiutare gli ingegneri a individuare le vulnerabilità prima, a convalidare i programmi di test in modo più efficiente e a ridurre il rischio per costosi veicoli spaziali e strumenti. Il prossimo banco di prova sarà quanto ampiamente questo approccio potrà essere applicato a veicoli e missioni diverse, soprattutto quando mancano dati chiave — come le misure di shock — o quando sono incompleti.