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Propulsion principles

During Eighties the modern aerospace principles were set. Before they were still the same defined by the ancient Chinese, since the black powder discovery. All of these principle rely on a single, consolidated, sacrosanct dynamic law: the reactive force..

Based on these principle we arrived, somehow to atmospheric supersonic propulsion and satellites send here and there in our solar system (and beyond).

Still during Eighties, the Russian engineer Tsiolkowsky (which, by the way was the same to define the propulsion principles actually allowing us to fly still today) defined the 15 steps required for the “cosmonaut development program”:

  • Arranged rocket for flight training on it.
  • Subsequent aircraft wings are reduced, speed increase.
  • Penetrate very close atmosphere.
  • Flights above the atmosphere and low-gravity planning.
  • Create satellites that return to Earth after the flight.
  • Satellites are settled around the Earth, but can come back to Earth.
  • Provide breathing and feeding cosmonauts by plants.
  • Landing modules, satellites for broadcasting and connection.
  • Widely used greenhouses to ensure the independence of man from the Earth.
  • Arranging of extensive settlements around the Earth.
  • Use solar energy, not only for a comfortable life, but also to move through the solar system (Solar sails).
  • Founded the colony in the asteroid belt and other places of the solar system.
  • Develop and expand the number of space colonies.
  • The population of the Solar system is multiplied. Settling around the Milky Way starts.
  • Sun is cooling down. Mankind is removed to other Suns.

As usual below my humble, free and lovely useless comments:

  • Done. The concept of flight training is now a sort of video gaming…
  • Done. Two or more wings planes are not common any more and supersonic planes have relatively reduced wings
  • Done. Almost at any altitude and also with or without planes…
  • Done. Should I mention any manned low Earth orbit mission?
  • Done. Should I mention the space shuttle?
  • Done. Should I mention the MIR, Space Station or the Tiangong?
  • Almost done. We are working on it. Astronauts do not yet eat plants, but they cultivated them in space.
  • Done. Done. Done. Extensively.
  • Not done. Actually from now our achievements did’t reach yet the Tsiolkowsky’s targets. We are still far from reaching any of the following points and even working on them, with our current propulsion principles knowledge, it seems unrealistic to target all of them.

Let’s say that we have rather good chances of setting up space colonies and use solar sails, but I’m rather skeptical that we have any other option (at the moment?) than staying around our Sun. The last two points, in particular, do not seem to me (only?) actually feasible within a human being lifetime (… unless we reach such evolution stages).

I can not avoid, however, to note how accurate the Tsiolkowsky predictions were until today (I’m talking about someone which was able to tell these stuffs in a century when noting man-made wasn’t moving above our heads), thus I should at least assume that he can not be completely wrong regarding what will happen in future.

This is the only reason motivating me to leave a glimmer in believing in propulsion systems other than action-reaction (here I should list a rather long list of potential/Iwanttobelieve/flyingsaucer/bullshit/semi-bullshit ideas and technologies).

WU

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Colorare le nuvole

Dai, dai, dai che qui ci si sguazza alla grande fra bufale, complottismo, e fanta-verità.

The early morning skies along the mid-Atlantic coast will light up with luminescent clouds as NASA tests a new system that supports science studies of the ionosphere and aurora with a sounding rocket launch May 31 from the Wallops Flight Facility on the eastern shore of Virginia. Backup launch days are June 1 through 6.

Al via in questi giorni l’ultimo esperimento (pubblico) NASA: coloriamo le nuvole. Che potrebbe sembrare anche la frase di una qualche maestra di asilo. Mentre nasconde invece uno scomodo segreto di manipolazione climatica mondiale (… ah ah ah ah ah …).

Allora, dicevamo. E’ in previsione per oggi (e questo mio tempismo quasi mi infastidisce) un test NASA per un sistema di eiezione di vapori nella ionosfera. I vapori saranno immessi nei cieli sopra le coste atlantiche per studiare i movimenti delle nuvole ed il fenomeno delle aurore boreali (certo non visto poeticamente come qui…).
Praticamente verrà lanciato un razzo (dalla Wallops Facility) che colorerà le nubi di blu e verde. Le strane formazioni saranno visibili in gran parte degli USA ed, ovviamente sono state dichiarate come “innocue per l’uomo”.

Si, è molto probabile (anzi ne sono abbastanza sicuro) che sia così, ma vuoi mettere la bellezza di pensare che stiano modificando artificialmente il clima sopra l’Atlantico grazie a chissà quale sostanza e con chissà quale scopo recondito per il quale la perdita di vite umane è solo un problema collaterale? Qui ci sta bene la trama di un Mission Impossible.

10 lattine di birra contenenti vapori di bario, stronzio e ossido di rame (che così, ad occhio, proprio innocui non mi paiono) saranno rilasciati a circa 150-200 chilometri da Terra. I contenitori rilasceranno nel giro di una decina di minuti i “preziosi” vapori che coloreranno le varie formazioni nuvolose permettendo di seguire visivamente il movimento delle particelle negli strati alti dell’atmosfera. “rocket launch that will create artificial glowing clouds” … appunto.

Affascinante, colorato e sufficientemente border line per alimentare sogni complottistici.

WU

PS. Direttamente dalla NASA, stamane:

UPDATE 11 a.m., Tuesday, June 27: The launch is on schedule for Thursday, June 29, of the NASA Terrier-Improved Malemute suborbital sounding rocket for the vapor release mission. However, the launch time has been refined to 4:25 – 4:48 a.m. The backup launch day is June 30. The launch window is determined by sun angles and also moon down conditions. Thus, this launch window is early morning compared to the previous evening launch window for this mission.
The rocket is to test a new multi-canister ejection system for deploying vapors in ionosphere or aurora sounding rocket missions. The vapors will form artificial clouds that may be seen from New York to North Carolina.

Single Stage to Orbit

I definitely like the idea. Actually it doesn’t sound really feasible to me… but for sure because I’m not enough a far-looking man.

Since the begin of the space age, we learnt to go into space by means of rockets. These rockets, depending on the size, payload mass, target orbit and bla bla bla, were (and are) based on some stages. The first stage has the most powerful engine able to fight against Earth gravity, the second completes the ascend phase, a third one helps reaching the target orbit. And everything is often coupled with solid auxiliary solid boosters to give even more thrust.

The technical reasons behind this approach are mainly (but not only two): each engine is optimize to work in a specific range of outside pressure (where the expansion of the jet is maximum) and staging a rocket is a good way to get rid of useless mass (e.g. used stages) to avoid to bring into the target orbit already waste mass (i.e. already spent launch vehicle parts are just useless burden).

Haas 2CA (from the name of the C. Haas, the first one to propose such idea) is this innovative launcher which promises to implement this single stage to orbit approach by replacing the conventional engines with a linear aerospike engine.

arca.png

What’s that? Well… the implementation of an idea which dates back to the 1960 and “basically works by cutting a rocket engine’s bell in half, then placing the two halves back to back to form a tapering spike“. In short, it is the external air which behaves as the missing half cone adapting itself to the right size to obtain the optimum jet expansion.

This means that as the rocket flies higher, the thinner air holds the gases less tightly and they spread out more as if the rocket bell has gradually grown larger. This allows the aerospike to automatically adjust itself in flight, turning itself from a sea-level engine into a high-altitude one.

Ah, as usual, besides the (fascinating) idea… money moves the right leverage: the system is advertised as disruptive also on the economic side, 1 million dollars per launch; 10 000 dollars per pound.

WU

PS. Just some technical data for completeness: the Haas 2CA will be 16 m, 1.5 m diameter, 550 kg weight and 16290 kg fuelled… not really impressive figures, absolutely in line with the micro-mini sat market the launcher targets.

Idee per astro-popo?

Oh, e questo?

Space Poop Challenge

spacepoo.png

Si, Poop, significa proprio quello. Effettivamente gli astronauti, oltre a fare i fighi nelle loro belle tute, con i loro tweet e con qualche foto mozzafiato anche anche le stesse necessità fisiologiche di noi mortali.

Quando natura chiama quello che non possono fare è semplicemente correre in bagno a liberarsi. Un po’ come i bambini sono quindi costretti a portare … un pannolino.
Soluzione abbastanza semplice (che comunque ci ha consentito di conquistare lo spazio , almeno quello vicino a noi), ma non tanto igienica. Si, non c’è nessun genitore premuroso che immola il proprio olfatto ed esegue cambi volanti e, date le condizioni nelle quali i “poveri” astronauti devono operare è possibile anche il pannolino sporco non sia sostituibile prima di qualche ora… con tutto ciò che ne consegue.
Siamo quindi all’aspetto più prosaico della faccenda:

The agency is asking innovators to create fecal, urine and menstrual management systems for spacesuits, that would work for up to six days. Up to $30,000 in prize money is up for grabs.

Solutions should provide for urine collection of up to 1L per day per crew member, for a total of 6 days. Fecal collection rates should be targeted for 75 grams of fecal mass and 75 mL fecal volume per crewmember per day for a total of 6 days duration. Menstrual collection systems should handle up to 80 mL over 6 days.

Ok, si chiede quindi di dare qualche buona idea alla NASA per risolvere la faccenda, anche e soprattutto in vista dei lunghi-lunghissimi viaggi che abbiamo in programma (Marte non si avvicinerà a noi, al più possiamo cercare di andare più veloci, ma non sarà di certo questione di qualche settimana o pochi mesi).

Ovviamente ci sono dei requisiti minimi da rispettare (E no, un classico WC con sciacquone non funziona nello spazio):

In the event of cabin depressurization or other contingency, crew members may need to take refuge in their launch and entry suits for a long-duration: 144 hours. […] The crew member will have less than 60 minutes to get into and seal their spacesuit. To ensure the crew member’s safety, the solution .needs to take no more than five minutes to set up and integrate with the spacesuit. […] Requirement that the system work in microgravity, in a pressurized spacesuit

Ovvero, deve essere una cosa abbastanza ingegnosa per tener lontano dagli orifizi umani tutto ciò che vorreste tener lontano anche sulla terra.

Le idee vanno presentate entro il 20.12.16 ed il vincitore (ricordo i 30000$…) sarà annunciato il 31.01.17.

Io inizio a pensarci

WU

PS. Ovviamente la cosa che mi colpisce di più è che a fronte di “soli” 30000$, che diciamocelo per la NASA sono come il resto dei ramini al supermercato per me, “gli scienziati” si portano a casa l’esclusiva di un bel paccotto di idee che diventano “magicamente” loro…

Innovators who are awarded a prize for their submission must agree to grant NASA a royalty free, non-exclusive, irrevocable, world-wide license in all Intellectual Property demonstrated by the winning/awarded submissions.

Tiangong ed i suoi fratelli

In principio era la Tiangong-1. Mentre il mondo si coalizzava per fare la sua stazione spaziale internazionale, la Cina decise di fare il grande salto fra le “potenze spaziali” mettendo in orbita il suo personalissimo “palazzo celeste”. Ad usco esclusivo dei taikonauti.

Tiangong1.png

Dal 2011, infatti, il sassetto orbitante (beh, 10 metri di lunghezza ed 8 tonnellate di peso, fate voi) ha egregiamente svolto il suo dovere (ovviamente secondo le dichiarazioni ufficiali del dipartimento per i voli spaziali con equipaggio cinese… e mi sarei molto meravigliato se avessero asserito il contrario.

Ora però i tempi stanno per cambiare, e non basterà una maglia per proteggerci. Dopo una serie di guasti ed avarie anche i “riservati” cinesi sono stati costretti ad ammettere che la Tiangong-1 (si, sempre il sassolino di cui sopra…) è fuori controllo e sta precipitando sulla terra.

Based on our calculation and analysis, most parts of the space lab will burn up during falling

Beh, most parts di certo, ma sai, a volte ne basta una (motori? serbatoi?) che non bruci a contatto con l’atmosfera e ti picchi in testa… Ad ogni modo, catastrofismo a parte, il punto dolente è che il deorbitamento che sta avvenendo (anche la MIR è deorbitata per intenderci) non può essere controllato. Il che vuol dire che la traiettoria di rientro non potrà essere modificata.

Inoltre stimare il rientro di un affare del genere (peno di pannelli, superfici che si staccheranno e bruceranno durante il rientro, densità dell’atmosfera dipendente da dove sei e finezze di questo tipo) non è per nulla facile ed i nostri modelli potranno essere sufficientemente accurati solo con qualche ora di anticipo. Quindi: da qualche parte ad un certo punto del 2017…

Ma ad ogni modo le dichiarazioni ufficiali sono (devono essere) confortanti:

[…] unlikely to affect aviation activities or cause damage to the ground. […] China has always highly valued the management of space debris, conducting research and tests on space debris mitigation and cleaning. […] “If necessary, China will release a forecast of its falling and report it internationally.

Tranquillissimo, ma guarderò il cielo una volta in più e non per sognare.

Ora però che la Cina ha fatto il grande balzo nel mondo delle superpotenze spaziali non si può mica fermare. La Tiangong-2 è già da qualche giorno a circa 390 km sopra le nostre teste. I controlli di rito sono in corso e per ora tutto sembra funzionare bene.

Tiangong has clearly passed over the challenges of early failure syndrome, which sometimes cripples spacecraft shortly after launch.

Tiangong2.png

Questa volta il sassolino è ancora più grande (18,4 metri per 8,6 tonnellate) ed è il risultato dell’esperienza del suo predecessore, ovviamente ulteriormente arricchito: che ne dite di un bel braccio robotico ed un satellite compagno? Lo scopo della missione sarà quello di testare nuove tecnologie per sostenere la vita nello spazio e, visto che ci siamo, condurre esperimenti scientifici e medici… per i prossimi due anni (solo!?). Il prossimo mese due taikonauti prenderanno posto nel nuovo palazzo orbitante.

E poi? Beh, come detto, mica ci possiamo fermare ora. Il programma Tiangong prevede di arrivare almeno ai livelli della MIR. Il lancio della Tiangong-3 (18.1 metri per 22 tonnellate) è prevista per il 2020-2022. Con tanto di moduli abitabili per tre astronauti, sistemi rigenerativi per sostenere la vita nello spazio, meccanismi multi-docking e gadget di ogni tipo.

Tiangong3.png

Quindi, con una stazione che sta cadendo, una in orbita da qualche giorno della quale stanno verificando il funzionamento, stanno già lavorando sulla terza?! Beh, non si può discutere sulla loro operosità e sul committment (e si, si, anche sui fondi) che al mondo occidentale inizia un po a mancare.

WU

PS. Ah, per i più curiosi, la Cina è stata anche invitata a collaborare al programma della stazione spaziale internazionale (ISS): ha detto che è disponibile. Vedremo…

The crowdfunded way to the Moon

What about to get to the moon with the first ever crowdfunded rocket?

That’s the idea of the Moonspike team, a group of independent rocket engineers working on the project to deliver 1 gram payload (a small titanium spike carrying photos and videos from project backers) on the lunar surface by means of a crowdfunded rocket. Actually a 150 kg spacecraft is “embedded” in the launcher to realize the orbital transfer and deliver the spike into Moon’s crust.

Reading about the project two points come to my mind:

  • my very first observation, perfectly aware of the difficulties of deliver significant payload mass on a target, I would not work only for 1 gr. If we accept the challenge, probably we can do something better…
  • the funding campaign has a clear goal: 1 million dollar in one month. Here comes my second question. 1 million? Really? I knew of hundreds of millions (with only 1 million much more launcher we would see around)… And in any case probably some margin, in the hopefully-not-but-very-likey case that something does not proceed as expected would save some nights to the team (in the end if you rise 1 million, probably you are able to rise also 1.5 milion, isn’t it?).

I stressed the net looking for answers.

This is the first complete space mission relying on crowdfunding to get money. The Lunar Mission One also raised funds with a kickstarter campaign to send a robotic lander to Moon south pole, but it assumes to use a rocket already available.

Moonspike aims at built a rocket from scratch. The first case ever (so far only private companies or institutional agencies have they own rockets). Here is the actual mission goal, the rocket itself! It seems that if the mission works, the payload will come afterwards… Desirable science return, but huge engineering challenge.

About money, instead, the also the founders are aware that the kickstarter campaign doesn’t cover the whole mission cost, but evidently they can rely on secure private donations to reach several million dollars.

Probably the advertising campaign is not completely transparent, but a new mission paradigm is clear. By means of the kickstarter campaign (that seems to cover only a minor part of the mission cost), the backers can have nearly unlimited access to the rocket development (below a first image of the rocket as proposed by the Moonspike team). First point sufficient to concentrate my attention on the proposal.

moonspike

Moreover as usual in the free market, the more players, the better. Another (small) launcher company for sure helps the competition.

WU

PS. As per today: 389 backers, £44345 pledged of £600000 goal and 27 days to go. Although I do not think it is a matter of money but of image; nonetheless: go, go, go!

And about the apyload: it is 1 gr of dreams :D. 500 MB of your data pledging £4999 or more…

Fuga a microonde

Allora, se ho capito bene funziona cosi. Un serbatoio di idrogeno è riscaldato da un fascio di microonde trasmesse da un’antenna a terra. Il fascio riscalda l’idrogeno attraverso uno scambiatore di calore e questo è quindi espulso dal vettore generando una spinta. Aggiungiamo anche che lo “spaceplane” è riutilizzabile ed una volta in orbita, rilasciato il carico, ritorna a Terra, fa rifornimento ed è pronto per il prossimo lancio. Utopistico quanto basta. Un po l’approccio alla Space Shuttle rimodernato con dei rendering alla SpaceX.

EscDyn
Si chiama Escape Dynamics che con questo approccio di external propulsion promette miracoli.

Il tradizionale approccio di lanciatori chimici (bussoli pieni di idrogeno ed ossigeno che mescolati creano “la fiamma”, spinta e vapore acqueo) richiede che circa il 90% della massa iniziale del razzo sia dedicata al propellente. Di conseguenza nel 10% devono rientrare la massa della struttura, dei sottosistemi e del carico pagante. Il tasso di fallimenti è di circa il 4% (qui avevo fatto dei conti folli un po piu dettagliati, e mi affascino notando che era esattamente un mese fa…).
Inoltre la parte riusabile di questi lanciatori è molto piccola se non nulla.

Dividere il propellente dal sistema di generazione della potenza richiesta per la spinta, e collocare quest’ultimo a Terra consentirebbe (il condizionale è anche poco…) di ridurre al 72% la massa necessaria per il propellente. Cioè, invece del 10% si parla di qualcosa attorno al 30% per massa, sottosistemi e payload. In due parole: hai piu spazio e massa per permetterti di pensare a qualcosa di riutilizzabile, quindi abbattere i costi. Qui dichiarano addirittura di scendere da gli attuali 5000-50000 $/kg a 150 $/kg (beh, un po di sano marketing ci vuole…)!!!

E la banda va avanti. Hanno di recente dimostrato che il concetto funziona “on a lab scale” e puntano a multi-megawatt scales (ora il sano marketing sta esagerando…)!!! Personalmente mi pare una di quelle cose che è bello studiare e che dubito di veder realizzate prima della fine dei miei giorni.

Concluderei quindi con un po di sano cinismo citando la legge di Gummidge: “Il costo di una expertise e’ inversamente proporzionale al numero di parole comprensibili”. Questa non sarà di certo cheap…

WU

PS. Avete una vaga idea di che cosa succederebbe a passare nel mezzo di un fascio di microonde dell’ordine multi-megawatt?