Protezione preventiva contro i temporali durante i lanci di veicoli spaziali

I satelliti sono una necessità nella vita moderna per una varietà di scopi (previsioni meteorologiche, esplorazione scientifica, comunicazioni a lungo raggio, ecc.).

I veicoli che mettono in orbita i satelliti sono sensibili alle minacce di fulmini naturali e indotti dai razzi. Ecco perché la NASA ha sviluppato il set di regole LLCC per valutare se le condizioni meteorologiche consentono i lanci. Dalla sua applicazione, incidenti come quelli dell'Apollo 12 e dell'Atlante-Centauro 67 non si sono più verificati. All'interno di questi criteri, il campo elettrico ambientale gioca un ruolo essenziale ed è misurato da una rete di mulini da campo (sensori di campo elettrostatico) presso il Kennedy Space Center.

L'attività di lancio di satelliti e le missioni di esplorazione spaziale sono in continua crescita. I satelliti per le comunicazioni sono indispensabili per la vita moderna e rappresentano un investimento multimiliardario. I satelliti vengono lanciati in orbita da veicoli di lancio appositamente progettati. Di solito si tratta di razzi con sistemi di controllo e guida1.

D'altra parte, l'esplorazione dello spazio è un'area di crescente rilevanza per ragioni tecnologiche, scientifiche e spesso anche politiche. Di conseguenza, la domanda di strutture e programmi di lancio continua a crescere, rendendola una proposta commerciale redditizia1.

Il maltempo è la causa principale dei ritardi e delle cancellazioni del lancio. I veicoli di lancio, così come le navette spaziali, sono sensibili alla minaccia dei fulmini durante il lancio e il transito attraverso la bassa atmosfera. I razzi contengono agenti ossidanti, carburante e anche dispositivi elettro-esplosivi per l'autodistruzione, se necessario. Un fulmine potrebbe quindi avere conseguenze catastrofiche con conseguenti perdite di vite umane, tempo e costi economici1.

La minaccia di un temporale ha portato allo sviluppo di criteri meteorologici per mitigare il rischio di fulmini durante il lancio. Sono noti come criteri Lightning Launch Commit (LLCC). Dalla loro implementazione, circa il 5% dei lanci a Cape Canaveral/John F. Kennedy Space Center (KSC) è stato annullato e il 35% è stato rinviato2.

Infatti, la missione orbitale Artemis I, prevista per il lancio il 29 agosto 2022, ha dovuto ritardare il rifornimento a causa delle tempeste in mare. Dopo il completamento dell'operazione di rifornimento, sono stati riscontrati problemi di temperatura in uno dei motori a razzo. La missione è stata ritardata più volte per problemi tecnici, ma anche per la presenza delle tempeste tropicali Ian e Nicole. La missione è stata lanciata con successo il 16 novembre 2022.

Di seguito, commentiamo le regole di lancio del veicolo spaziale LLCC della NASA e l'importanza dei rilevatori di campo elettrostatico per valutare il rischio di fulmini nell'area.

Criteri di commit per il lancio di fulmini della NASA (LLCC)

Gli LLCC sono un insieme di regole, sviluppate dalla NASA e da altre organizzazioni federali statunitensi per mitigare il rischio di impatti durante i lanci di veicoli spaziali. Coprono sia i rilasci naturali che quelli indotti dai razzi. L'ultima versione degli LLCC è pubblicata nello standard NASA-STD-4010 del 20173. Tuttavia, gli LLCC e le relative definizioni vengono continuamente rivisti sulla base di nuove conoscenze ed esperienze accumulate negli anni del programma spaziale statunitense4.

Sebbene la minaccia di temporali fosse considerata nei primi giorni dell'era spaziale fino al lancio dell'Apollo 12 nel 1969, i fulmini indotti dai veicoli prodotti dal volo attraverso nuvole altamente elettrificate che non si scaricano naturalmente4 non furono presi in considerazione.

Nel caso dell'Apollo 12, durante il primo minuto di volo sono stati osservati due fulmini indotti. Questi impatti hanno causato danni permanenti ai sensori non critici, nonché guasti temporanei dei sistemi critici. La missione è stata completata, grazie alla risoluzione dei problemi dell'equipaggio. A causa di questo incidente, sono state introdotte nuove regole che vietano di volare in prossimità di temporali o attraverso alcuni tipi di nuvole non temporalesche, ma con un potenziale rischio di elettrificazione1.

Al contrario, il razzo Atlas-Centaur 67 (AC 67) del 1987, che conteneva il satellite Fleetsatcom, subì un impatto indotto dal razzo che passava attraverso una nuvola elettrificata. Questo fulmine ha causato un guasto al sistema di guida del veicolo. Come risultato di una rotazione non pianificata, sono state generate sollecitazioni e il razzo ha iniziato a rompersi e gli è stato ordinato di autodistruggersi. I detriti recuperati dall'Oceano Atlantico hanno confermato che si era verificato un fulmine1.

Tuttavia, è stato stabilito che, sebbene le LLCC in vigore nel 1987 fossero carenti, la principale responsabilità del disastro fosse la valutazione errata, perché quella corretta avrebbe impedito il decollo dell'AC 675.

Uno standard NASA-STD-4010 fornisce requisiti ingegneristici e tecnici uniformi per procedure, pratiche e metodi per programmi e progetti della NASA. Inoltre, la pubblicazione tecnica NASA/TP-2016-219439 del 20165 fornisce la base scientifica per lo standard, sebbene questo documento si basi sugli LLCC dell'agosto 2014 e quindi non includa eventuali modifiche successive che potrebbero essere presenti nello standard del 2017.