Manca la fiamma sotto il motore del LEM

RISPOSTE ALLE DOMANDE DI AMERICAN MOON

• Domanda #10 - Visto che questo è il motore di risalita del LEM collaudato sulla terra, perché sotto di esso non c'è nessuna fiamma visibile, quando riparte dalla luna?

Non è vero che non c’è nessuna fiamma visibile. Nei primi secondi della risalita, sulla metà inferiore del LEM si forma un cono di gas luminoso.

Cono luminoso al momento del lift-off dalla Luna delle ultime tre missioni Apollo, visibile nelle trasmissioni TV.

Una fiamma identica era apparsa durante i test del motore di risalita del LEM in camera a vuoto^[1].

Le simulazioni dimostrano che si tratta di una regione di gas a temperatura e densità notevolmente più alte rispetto alle zone circostanti^[2].
Dopo qualche secondo la fiamma conica scompare, ma un’altra fiamma continua ad ardere nella camera di combustione del motore. Normalmente non è visibile perché nascosta all’interno dell’ugello, ma nel caso di Apollo 17 la telecamera riesce a inquadrare il modulo dal basso quando quest’ultimo è alto nel cielo, mostrando la luce della fiamma dentro il motore.

Dettaglio dalla trasmissione TV del lift-off di Apollo 17.

Sulla Terra le cose funzionano diversamente a causa dell’atmosfera. Il getto di gas esce dal motore ad altissima velocità ma non riesce a espandersi lateralmente, soprattutto a bassa quota, a causa della pressione dell’aria circostante. Assume quindi una forma cilindrica e mantiene un’alta temperatura, la quale favorisce una serie di reazioni chimiche che emettono luce visibile, sia all’interno del getto, nei dischi di Mach, sia nella periferia del getto, dove i gas reagiscono con l’aria^[3].
Luminosità, colore e trasparenza del getto dipendono dal tipo di propellente: l’idrogeno e i propellenti ipergolici creano getti più o meno trasparenti, mentre il kerosene e i propellenti solidi producono getti estremamente luminosi, pieni di polveri incandescenti.
Nelle camere a vuoto, il getto è comunque visibile anche se più espanso. Questo perché, dopo i primi millisecondi dall’accensione del motore, queste camere si riempiono di gas di scarico e non riescono più a mantenere un buon livello di vuoto^[4].

Nel vuoto dello spazio, invece, una volta uscito dall’ugello del motore, il getto è libero di espandersi in tutte le direzioni, ed espandendosi, si raffredda velocemente. In mancanza di ossigeno e di alte temperature, le suddette reazioni non avvengono e il getto non emette nessuna luce visibile. A condizione, si intende, che il getto sia libero di espandersi, e non che ristagni su una superficie vicina, come nel caso del LEM.

Inoltre un motore alimentato ad Aerozina 50, come quello del LEM, a regime espelle praticamente solo azoto, vapore acqueo e anidride carbonica, tutti gas completamente invisibili. Lo dimostra, ad esempio, il seguente video del lancio di un razzo Delta II, dal minuto 4:28. A 125 km di altezza, dove il vuoto è molto più spinto di quello di una camera a vuoto, il secondo stadio si separa e accende il suo motore, che ha le stesse dimensioni e lo stesso propellente del motore di risalita del LEM. Come si può notare, dopo la brevissima fiammata iniziale, il motore non produce nessuna fiamma e nessun getto visibile.

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BONUS: Risposte alle affermazioni di American Moon

• Qualcuno potrebbe pensare che il carburante ipergolico, che è ben visibile sulla terra, per qualche motivo possa diventare invisibile nel vuoto dello spazio, ma non è così, e ci sono diversi esempi a dimostrarlo. Questo è un test del motore Draco, che usa carburante ipergolico, collaudato in una camera a vuoto. Come si può vedere, il getto emesso dal motore è comunque ben visibile.

Generalmente un motore a razzo espelle più gas di scarico di quelli che la pompa riesce ad aspirare, per cui la camera a vuoto non riesce a mantenere un vuoto molto spinto. Già dopo pochi millisecondi dall’accensione del motore, i gas riempiono la camera e limitano l’espansione del getto. Per questo motivo, una camera a vuoto non è assolutamente paragonabile al vuoto dello spazio per quanto riguarda la visibilità della fiamma (rimane comunque uno strumento utile agli ingegneri per studiare determinate caratteristiche del getto, seppur limitate nel tempo e nello spazio).

• Anche lo Shuttle usa carburante ipergolico per i suoi razzi di posizione, e lo Shuttle mostra chiaramente il getto dei suoi razzi di orientamento anche durante le manovre nel vuoto spaziale.

Il filmato mostra un test eseguito sulla Terra. Infatti normalmente il sistema di razzi è integrato nella fusoliera dello Shuttle, mentre quello nel filmato è montato su un supporto che non ha niente a che fare con lo Shuttle. Inoltre nel filmato si vede chiaramente che, alla fine di ogni getto, la fiammella residua va verso l’alto, cosa che succede solo in presenza di gravità.

Il sistema di razzi di orientamento installato sulla coda di uno Space Shuttle.

• Questa è un’altra immagine dello Shuttle che manovra nel vuoto utilizzando i razzi di orientamento. Il getto del carburante ipergolico è chiaramente visibile.
  Questa invece è una navicella Soyuz, ripresa mentre si avvicina alla Stazione Spaziale Internazionale. Anche la Soyuz usa carburante ipergolico per i suoi razzi direzionali, e anche in questo caso i getti sono chiaramente visibili, anche se ci troviamo nel vuoto.

Getto di un razzo di orientamento dello Shuttle nello spazio.

Nel vuoto non si tratta più di una fiamma ma di qualcosa di diverso, un getto bianco ed evanescente a forma di ventaglio.
Secondo Jim Oberg^[5], ex ingegnere NASA, il getto è visibile solo per una frazione di secondo all’accensione e allo spegnimento del motore. In queste fasi, i due propellenti (combustibile e ossidante) si trovano miscelati in un rapporto non ottimale e la loro combustione avviene solo parzialmente. Il propellente incombusto viene quindi espulso e risulta visibile come un getto di fumo bianco.

I LEM non fanno certo eccezione: per una frazione di secondo dopo l’accensione, si vede del fumo fuoriscire dal motore di risalita.

A differenza del motore del LEM, i razzi di orientamento, tipicamente, funzionano a brevi impulsi, quindi il getto è visibile più volte, in corrispondenza di ogni impulso.

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1. Apollo lunar module engine shock wave testing
2. J.E.Lane et al., Lagrangian Trajectory Modeling of Lunar Dust Particles, 2008
3. G.P. Sutton & O. Biblarz, Rocket Propulsion Elements, Ch. 18: Rocket Exhaust Plumes, 2001 
4. G. Dettleff & M. Grabe, Basics of Plume Impingement Analysis for Small Chemical and Cold Gas Thrusters, 2011
5. Visibility of rocket flame in vacuum