Nove minuti per andare in orbita

La sera di domenica 23 novembre, l’astronauta italiana Samantha Cristoforetti partirà dal cosmodromo di Baikonur in Kazakistan per raggiungere la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), in orbita intorno alla Terra a circa 400 chilometri di altitudine. Sarà la prima donna italiana a volare nello spazio e la seconda a farlo per l’Agenzia Spaziale Europea. Cristoforetti farà parte dell’Expedition 42 e con lei ci saranno il cosmonauta russo Anton Shkaplerov e l’astronauta della NASA Terry W. Virts. Vivranno sulla ISS fino al prossimo maggio e per raggiungere la loro nuova casa in orbita dovranno affrontare i 9 minuti più turbolenti di tutta la loro vita.

Cosmodromo di Baikonur
Il cosmodromo di Baikonur si trova nel mezzo delle steppe del Kazakistan ed è una base di lancio gestita dalla Russia dalla quale si parte per raggiungere la Stazione Spaziale Internazionale. Il complesso si trova a 200 chilometri circa dal lago d’Aral. Fu realizzato ai tempi dell’Unione Sovietica ed è la base di lancio più antica del mondo, piena di storia e storie legate all’esplorazione spaziale: da Baikonur partirono nel 1957 lo Sputnik 1, il primo satellite artificiale, nel 1961 Yuri Gagarin, il primo uomo a volare nello Spazio, e nel 1963 la prima donna a fare lo stesso, Valentina Tereškova. L’intera area destinata al cosmodromo è un’ellissi che misura circa 90 chilometri da ovest a est e 85 chilometri da nord a sud.

A Baikonur ci sono edifici e infrastrutture di vario tipo, come i grandi hangar per preparare i razzi lanciatori e le aree che ospitano i tecnici, gli ingegneri e gli astronauti, che arrivano in Kazakistan un paio di settimane prima di partire: qui sono tenuti poi in parziale isolamento, per terminare la loro preparazione ed evitare che prendano qualche malanno.

Soyuz
Il veicolo spaziale che porta gli astronauti sulla ISS si chiama Soyuz, ed è uno dei più rodati e utilizzati mezzi nella storia delle esplorazioni dello Spazio. Soyuz in russo significa unione: portano questo nome sia il lanciatore, cioè l’insieme dei razzi per il lancio, sia la navetta spaziale che poi materialmente compie il suo attracco con la ISS.

Nei loro anni di preparazione alla missione che li aspetta, gli astronauti studiano, imparano, ripetono e perfezionano le procedure necessarie per sapere comandare la loro Soyuz in qualsiasi situazione. L’addestramento prevede diversi scenari, che sono sperimentati all’interno di simulatori che riproducono tutti i comandi e gli spazi molto angusti della capsula spaziale. Gli astronauti imparano anche a fare i conti con l’ingombro delle loro tute, che hanno diversi sistemi di comunicazione e protezione per garantire la loro sicurezza durante il viaggio che li porta dalla Terra fino in orbita, a circa 400 chilometri di altitudine.

Il razzo che ha il compito di vincere la gravità terrestre e di portare gli astronauti in orbita ha una lunghezza complessiva di circa 50 metri con un diametro che nel punto di massima larghezza arriva intorno ai 10 metri. La sua massa complessiva è di 310 tonnellate. Il razzo è formato da tre “stadi”, cioè tre sezioni che a momenti precisi durante il lancio si separano per dare la spinta necessaria per proseguire il viaggio. La spinta viene prodotta grazie a una miscela di kerosene e ossigeno liquido, che bruciando insieme producono un’enorme potenza.

La Soyuz vera e propria, cioè la navetta, si trova sulla sommità del razzo, racchiusa all’interno di un involucro (la parte bianca nella foto). L’involucro ha il compito di proteggere la navetta fino al superamento dei primi strati dell’atmosfera. La navicella è divisa a sua volta in tre parti: il modulo orbitale, a forma di sfera, in cui si trovano strumentazioni e altro materiale da trasportare sulla ISS; il modulo di rientro, che ospita gli astronauti sia per il viaggio di andata sia per il ritorno sulla Terra; e il modulo di servizio, che contiene diverse strumentazioni, i motori e i serbatoi per effettuare le manovre spaziali e quelle di rientro.

Rampa di lancio
Dopo avere eseguito tutti i controlli necessari ai sistemi del razzo, ai serbatoi dei vari stadi e alla navetta, la Soyuz inizia un lento viaggio sui binari dalla zona degli hangar di Baikonur fino alla rampa di lancio. Il razzo da orizzontale viene issato e portato in verticale, con una struttura costituita da quattro bracci di metallo che fanno da sostegno per assicurarsi che tutto resti fermi e stabile fino al momento del lancio. Il giorno della partenza, gli astronauti raggiungono di solito con un paio di ore di anticipo la rampa di lancio, già con le tute addosso, prendono un ascensore che li porta a 50 metri di altezza ed entrano nella navetta spaziale. Dopo essere stati assicurati ai sedili, eseguono verifiche e controlli in contatto con il centro di controllo in attesa della partenza.

Lancio
Se tutti i controlli vanno a buon fine, viene dato il via libera per la partenza del razzo, il momento più spettacolare per chi rimane sulla Terra a guardare tre esseri umani seduti su 300 tonnellate di propellente, carburante che brucerà in pochi minuti davanti ai loro occhi. Quando finisce il conto alla rovescia, i quattro razzi ausiliari (booster) laterali e il razzo del blocco centrale si accendono, mentre i bracci che tenevano ferma lo Soyuz sulla rampa di lancio terminano di aprirsi svincolando il lanciatore. La spinta verticale fornita dai booster fa staccare dal suolo la Soyuz che inizia la sua ascesa. A questo punto, tutto avviene molto rapidamente.

Il lanciatore si inclina e inizia a seguire una parabola che lo porterà a essere orientato già come l’orbita che dovrà seguire la Soyuz dopo avere superato l’atmosfera. Gli astronauti a bordo in questa fase subiscono un’accelerazione di 1,5 g, pari quindi a una volta e mezzo l’accelerazione di gravità media misurata al suolo.

A circa 45 secondi dal lancio, il lanciatore viaggia ormai a una velocità di oltre 1.600 chilometri orari e ha già raggiunto un’altitudine di 11 chilometri. La sua struttura deve sopportare enormi pressioni, mentre l’equipaggio arriva a subire un’accelerazione pari a 2 g. Circa due minuti dopo, l’altitudine raggiunta è di oltre 40 chilometri: i booster del primo stadio hanno bruciato tutto il propellente e si spengono, diventando un’inutile zavorra. Per questo motivo, al loro spegnimento il primo stadio viene fatto separare dal resto del razzo, in modo che possa tornare sulla Terra, con una caduta calcolata che lo porta a precipitare in una zona disabitata del Kazakistan, a oltre 350 chilometri di distanza dalla base di lancio.

La separazione avviene contestualmente all’accensione dei booster del secondo stadio, che danno una spinta che porta l’equipaggio a subire un’accelerazione pari a 3,5 g. In pratica, gli astronauti per qualche secondo pesano tre volte e mezzo quanto pesano sulla Terra. È per loro il momento di stress fisico più alto nel turbolento viaggio verso la ISS (la sensazione dura comunque pochi secondi). Le varie procedure, se tutto va come previsto, sono inoltre automatiche e non richiedono interventi diretti sulle strumentazioni di bordo. Ma non c’è molta tregua per i passeggeri.

Mentre il secondo stadio fa il suo dovere, fornendo la spinta per tre minuti, l’involucro che mantiene al riparo la navetta spaziale si separa in due parti, destinate a precipitare sulla Terra. A questo punto, per la prima volta dal momento del lancio, avvenuto appena 5 minuti prima, il veicolo è totalmente esposto all’ambiente spaziale e la luce solare può entrare per la prima volta all’interno dell’abitacolo dagli oblò, fino a quel momento oscurati dall’involucro esterno. Per gli astronauti è la conferma che sta per arrivare l’ultima grande spinta.

Il terzo stadio del lanciatore si attiva e pochi istanti dopo avviene la separazione del secondo stadio, che ha finito il propellente e può tornare sulla Terra. Il terzo e ultimo stadio brucia propellente per 4 minuti, portando l’equipaggio e la Soyuz a un’altitudine di 220 chilometri, mentre la velocità raggiunge progressivamente i 13250 chilometri orari. A 9 minuti dalla partenza da Baikonur, la Soyuz ha raggiunto l’orbita desiderata e la navetta può separarsi dal terzo e ultimo stadio che ha contribuito a spingerla fino a lì.

Terminata la grande accelerazione, gli astronauti iniziano a sperimentare la microgravità, cioè la quasi totale assenza di peso con cui dovranno convivere per i loro mesi di permanenza sulla ISS. La Soyuz intanto finisce i compiti: apre i pannelli solari per dare energia aggiuntiva ai suoi sistemi ed estende le antenne per le comunicazioni. Inizia la parte del viaggio meno brusca verso la Stazione Spaziale Internazionale.

Attracco
Fino a qualche tempo fa per raggiungere la ISS dalla Terra erano necessari mediamente due giorni di viaggio. La procedura è stata poi modificata per fare in modo che la navetta si sposti in minor tempo tra le varie orbite per raggiungere quella della Stazione: ora richiede meno di sei ore per essere completata. Dalla fine nel 2011 del programma spaziale degli Shuttle gestito dalla NASA, la Soyuz è l’unico veicolo spaziale che trasporta astronauti sulla ISS.

La Stazione viaggia in orbita a una velocità media di circa 27.600 chilometri orari e, per potersi agganciare, la Soyuz raggiunge la stessa velocità quando si colloca nella medesima orbita della ISS. La navetta si allinea a uno dei punti di attracco disponibili sulla Stazione e vi si avvicina, molto delicatamente, utilizzando la sonda (una sorta di staffa) posta sulla sommità del modulo orbitale (quello sferico). Questa si infila all’interno del sistema di attracco della ISS con una procedura automatica: la cavità non è cilindrica ma a forma di cono, in modo da compensare un eventuale disallineamento durante la manovra. La staffa viene agganciata all’interno del cono e inizia poi a ritrarsi, in modo da permettere al resto del “naso” della Soyuz di incastrarsi nella cavità. Quando l’allineamento è completo e i portelli della navetta e della ISS combaciano perfettamente, è possibile aprire una via di comunicazione tra le due parti, pressurizzarla e infine permettere agli astronauti di salire a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.

E se qualcosa non funziona?
La fase critica, dove qualcosa può davvero andare storto, è quando sulla rampa di lancio si accendono per la prima volta i booster del primo stadio. In quel momento i serbatoi sono pieni di propellente e un malfunzionamento può portare a una grande e pericolosa esplosione. Per questo motivo sulla sommità del razzo c’è una struttura di sicurezza che si chiama “torre di espulsione”. Si tratta di un piccolo razzo aggiuntivo che ha la capacità di separare la parte finale della Soyuz dove si trova l’equipaggio in modo da proiettarla in pochi secondi lontano dalla rampa di lancio dove si sta verificando l’esplosione. L’espulsione può essere impostata per avvenire automaticamente oppure con un comando manuale.

In tutta la storia delle Soyuz, la torre di espulsione è stata usata una sola volta, quando nel 1983 una valvola malfunzionante portò al rilascio di grandi quantità di kerosene sulla rampa di lancio a pochi secondi dall’accensione dei motori. La torre di espulsione staccò la navetta dal resto del razzo e portò al sicuro i due cosmonauti, che dovettero però fare i conti con una repentina accelerazione tra i 14 e i 17 g per alcuni secondi. La capsula atterrò pochi minuti dopo, frenata dai suoi paracadute, a circa 4 chilometri dalla rampa di lancio. L’equipaggio, formato da Gennadj Strekalov e Vladimir Titov, si ristabilì completamente e i due cosmonauti in seguito parteciparono a diverse altre missioni spaziali.