Progetto: NOVA HLV

Il lancio di Artemis 1 è l'occasione per svelare un mio progetto che spero possa contribuire a far smuovere un po' di nuovo l'interesse per Orbiter e per il volo spaziale. Avevo già presentato il concept del Saturn X ma in realtà quest'altro lavoro è molto più concreto. Ci ho lavorato negli ultimi mesi soprattutto finalizzando a livello di calcoli le caratteristiche di ciò che vado a presentare, e ora sto iniziando a modellare.

Si tratta più che altro di un mio esercizio mentale, di un hobby, ma mi piacerebbe vederlo realizzato su Orbiter un giorno o l'altro.

Il progetto che ho in mente ha come nome di lavoro "Nova" (ma ho anche pensato a un altro nome che è "Hercules") ed è sostanzialmente un'intera, nuova famiglia di razzi vettori. I razzi vettori FOI (Neptune, Jarvis, Quasar) sono stati versatili ma utilizzavano decine di diversi stadi, boosters, motori. Considerando inoltre che erano razzi expendable, il costo reale, se parliamo di realismo, sarebbe stato insostenibile. Il mio goal con questo progetto è di rimpiazzare tutto con un'unica famiglia di razzi vettori che consenta di coprire tutte le necessità ma seguendo criteri di:

- risparmio
- modularità
- economia di scala

Ciò si traduce nel realizzare razzi che siano composti da un numero limitato di elementi condivisi, fatti per essere realizzati in gran numero, possibilmente con una tecnologia non estrema, e combinati tra loro secondo necessità. L'obbiettivo è di coprire quasi tutte le capacità di payload a partire dal Neptune fino al Quasar.

Non sono un programmatore pertanto sarò limitato a Multistage 2015 di Fred18... ciò significa che, almeno nella prima fase, questi razzi saranno a perdere. Però ho già pensato a uno sviluppo riusabile che però richiederà molto lavoro supplementare che ora non mi sento pronto a sobbarcarmi.

I Nova sono organizzati in 6 livelli crescenti di prestazioni, 6 versioni nominate come la classificazione spettrale delle stelle: quindi dal meno potente al più potente, Nova M, K, G, F, A, B. Ma si può benissimo palare di 1, 2, 3, 4, 5, 6. Rispetto ai razzi del passato ho prestato una attenzione molto più seria ai veri dettagli tecnici e costruttivi, cercando di realizzare qualcosa secondo criteri di realismo molto più spinto che in passato. Dimensioni dei serbatoi, accessori, linee di pressurizzazione, cablaggi dati, attacchi ombelicali alla rampa, venting ho tenuto conto di (quasi) tutto, per quanto ho potuto. Come sempre nel processo di documentazione ho imparato molto e ho capito quanto poco ne sapevo in realtà prima. Voglio fare anche due nuove rampe dedicate, realistiche e più semplici di quelle del passato.



Questa è la configurazione attuale della famiglia. I colori rappresentano le parti comuni. Il tutto viene ottenuto con un solo tipo di booster, due soli tipi di core stage (tra loro strettamente imparentati, in quanto condividono oltre l'80% dei componenti), due soli tipi di upper stage e tre soli tipi di motori. Una bella semplificazione. I primi due da sinistra sono i Nova M, in versione con o senza boosters solidi (la versione coi boosters solidi non è certo che venga fatta) con payload in LEO intorno alle 26/30 tonnellate, paragonabile ai Jarvis leggeri. Ideale per l'Antares in versione a corto raggio. Poi il Nova K, per la LEO, con payload paragonabile ai Jarvis pesanti, il nova G, per le operazioni oltre la LEO, paragonabile al Jarvis H. I due precedenti hanno un core stage corto; usando gli stessi componenti e serbatoi allungati si ottiene la parte "super heavy" della famiglia, partendo dal Nova F, esclusivo per la LEO, in configurazione inline e sidemount, pensato per carichi pesanti e per Eridanus. Poi andiamo al Nova A, esclusivo per la tratta Terra-Luna con Antares, dove sostituisce il Jarvis M, con prestazioni quasi identiche. Infine il Nova B, versione superpesante che sostituisce il Quasar, utile sia in LEO sia oltre la LEO, con un payload vicino alle 200 tonnellate in LEO e quasi 60 in orbita lunare, per il trasporto del lander.

Il lander lunare richiede due parole. Non sono mai stato un fan estremo della configurazione che abbiamo scelto per Arcturus, che mi è sempre sembrata un po' sorpassata. Per questo progetto avrei pensato di ricavare, da uno degli upper stages, un nuovo lander un po' più piccolo, riusabile e a singolo stadio. Da realizzare anche in versione solo cargo. L'idea è di realizzare almeno la versione cargo. I calcoli di propellente in merito sono già stati fatti.

Parallelamente ai lunghi calcoli che mi hanno portato via settimane se non mesi, ho iniziato la modellazione. Questi i tre motori nuovi di zecca.



Da sinistra: Neptune-A, motore a ossigeno-metano per i boosters (Ispirato al Raptor di Space X e al BE-4 di New Origin), Jupiter-A, motore a ossigeno-idrogeno per i core stage (ispirato ai motori RD-0120 del russo Energia), Selene-A sempre a ossigeno-idrogeno per gli upper stage e in una versione modificata B per il nuovo lander lunare (qui ho preso a modello l'europeo Vinci e il mai realizzato RL-60 americano). Il concetto è stato di seguire le reali caratteristiche di motori esistenti o progettati ma stare leggermente un passo indietro a livello di prestazioni. Ipotizzando di contenere i costi.

Dei tre motori, l'unico che ho modellato con precisione nella parte diciamo "idraulica/meccanica" è il Selene-A in quanto essendo da usare esclusivamente nello spazio questa parte risulta "a vista" nella simulazione; gli altri, essendo motori da stadi inferiori, saranno protetti all'interno della struttura dei razzi e all'esterno si vedrà solo la campana del motore. Ma ho pensato di modellare in larga massima anche la parte idraulica/meccanica per avere una idea precisa degli ingombri all'interno dei razzi. Non come prima, che appiccicavo i motori agli stadi e fine.

Questa la configurazione di un booster con in trasparenza il dettaglio delle feed lines di propellente e ossidante ai motori. Anche la sezione delle feed lines è stata per quanto possibile calcolata. Anche l'expansion ratio degli ugelli dei motori è stato rispettato.



Questo un prototipo di upper stage, quasi completato.


Per quanto riguarda i prospetti futuri di riusabilità, ho già pensato agli stadi superiori come a veicoli rifornibili e usabili più volte sia per missioni diverse, sia come serbatoi di propellente orbitali. I boosters potranno beneficiare della capacità di rientro messa a punto da SpaceX ma questo andrebbe programmato e non sono in grado; i core stage potranno essere rimpiazzati da una versione glider, in grado di rientrare su pista. Viste le grandi dimensioni e la leggerezza (a vuoto) non necessiteranno di pesanti protezioni termiche come sullo Shuttle. Questo potrà essere realizzato anche con Multistage2015/Spacecraft ma è complicato ed è solo un'idea.

Qui un dettaglio del motore Selene-A. Le mie abilità di modellazione sono limitate ma spero piaccia.



Questo è quanto; in realtà sono ancora praticamente all'inizio: tantissimo resta da fare e non so quando (o se) questo progetto sarà mai completato. In realtà volevo soprattutto dimostrare a me stesso di essere capace di pensare una cosa del genere (molto più complicata del previsto, se si esige il massimo realismo). Però ho voluto condividerlo sperando soprattutto di riaccendere un po' di passione e di richiamare qualche vecchio senatore che ha fatto la storia di questo posto.  

A disposizione per ogni quesito che riterrete di pormi.

Qui al lavoro sulle due varianti del core stage, che sono composte dagli stessi elementi e differiscono essenzialmente per la lunghezza dei serbatoi.



Presto inizierò i lavori sulla rampa Alpha, la prima delle due rampe di lancio previste, quella più semplice.

Configurazione delle feed lines di propellente e ossidante per i motori del core stage (in trasparenza i serbatoi: ossidante Lox sopra, propellente LH2 sotto):

Si procede? Si procede.
Il primo fairing da 8,41 metri praticamente pronto, completo di pannelli fonoassorbenti interni e di portelli d'ispezione. Solo da verniciare.

Procedo col mio diario dei lavori.
Core stage: completate le feedlines di propellente, aggiunte le linee di pressurizzazione e i cablaggi dati. I cilindri gialli sono dei segnalini che indicano dove andranno installati i punti di attacco dei boosters.



Cos'è "ISVA"? Beh, ho pensato a una naturale evoluzione della nostra ASVI (Agenzia Spaziale Virtuale Italiana), però meno provinciale e più globale... quindi "International Space Virtual Agency".

Un booster praticamente completo. Aggiunti i venting dei serbatoi, i motori di separazione. Mancano giusto gli attacchi al core stage e qualche rifinitura.

Complimenti! E se non erano limitate che facevi?

Andrew ha scritto:

...Le mie abilità di modellazione sono limitate ma spero piaccia...

Grazie Ripley!

Proseguo col diario dei lavori. Test di aggancio di un booster al core stage (solo l'attacco anteriore; gli attacchi posteriori sono in progress).



Ho pensato anche a un logo per questa famiglia di veicoli spaziali, che si vede anche nella figura precedente ed è questo:


Ho preso la figura pari pari da una moneta danese (credo). Raffigura la costellazione di Cassiopea e la famosa Nova di Tycho Brahe. Che poi era una supernova ma non sottilizziamo Il logo non è una texture ma l'ho modellato in 3D. Ho intenzione di fare a meno delle textures per quanto possibile: tutti i dettagli sono modellati.

Andrew sei un grande!

Francesco

Grazie Franz, sei molto gentile!
Appena possibile pubblicherò le specifiche esatte dei nuovi razzi, ora sto raffinando i calcoli dei vari pesi.



Test degli attacchi posteriori dei boosters, modellati prendendo come esempio quelli degli SRB dello Shuttle. Come ho già detto, con questo progetto scendo molto più nel dettaglio rispetto al passato e, quando si procede in questo modo, si imparano molte cose. Una cosa che ho imparato stavolta è che, sullo Shuttle ma anche su Ariane 5, uno dei due attacchi posteriori è dotato di una barra trasversale di irrigidimento che serve a evitare oscillazioni orizzontali del booster rispetto al core. Una sola, perché una sola è sufficiente. Non me ne ero mai accorto (anche se avrei potuto immaginarmelo) e infatti sui Jarvis tale elemento non è presente. Ora l'ho introdotto.

Riprende il lavoro sugli upper stages.
Chi ha letto il topic sa che la famiglia prevede due diversi upper stages, uno più leggero e uno molto più pesante, entrambi basati sullo stesso motore Lox/LH2 ad alta efficienza "Selene-A" basato sul motore Vinci. Qui vediamo a sinistra l'upper stage leggero, con due motori (completato) a confronto con l'upper stage pesante, munito di cinque motori, che è ancora in progress.  



Torna anche la denominazione già usata in passato: HES (High Energy Stage), qui declinata quindi in HES-2 e in HES-5.
L'HES-2 fornirà auspicabilmente la base per il mio nuovo lander lunare riutilizzabile a singolo stadio, che intenderei sviluppare a partire da una versione cargo.

Tra breve dovrei poter pubblicare le specifiche esatte dei razzi: stay tuned.

Il nuovo stadio superiore HES-5 è il pezzo di hardware più complicato realizzato finora, con oltre 62 mila poligoni, destinati a crescere ancora al completamento (per confronto il vecchio HES-5 usato sul Jarvis si fermava intorno a 9 mila). Dovrò fare delle prove in simulazione per verificare la possibilità di togliere un motore (e trasformarlo quindi in un HES-4   ). Se il gravity loss non sarà troppo penalizzante, si dovrebbe ottenere un lieve miglioramento delle prestazioni di payload.





Continua il lavoro: completata la struttura posteriore, aggiunti serbatoi elio, pacchi batterie, linea pressurizzazione, motori RCS e ullage. Da rifinire diversi punti e da aggiungere il venting dell'ossigeno liquido e l'attacco ombelicale di carica propellente in rampa.

Oggi al lavoro su parti semplici: l'interstadio che unirà il core stage allo stadio superiore HES-5. La canalina che si vede, s'intende sia quella dei cablaggi elettrici, che nello stadio corre all'esterno (essendoci all'interno i serbatoi di propellente), mentre nell'interstadio, che è cavo, viene fatta correre internamente, ove è più protetta.



Un problema importante che si presenterà, nella versione Nova G, sarà come alimentare lo stadio superiore (HES-2 in quel caso) in quanto lo stesso si trova completamente nascosto all'interno del fairing. E' un problema a cui in passato non avrei dato attenzione, ma ora puntando al realismo devo risolvere come eseguire il riempimento di propellente, come fare il collegamento elettrico con la rampa e come garantire il venting dei propellenti. Servirà come minimo un fairing specifico. Presto inoltre inizierò a fare simulazioni di interfaccia tra razzo e rampa, e questo problema andrà risolto. Sono in cerca di documentazione tecnica su razzi tipo il Titan IV / Centaur e l'Atlas V / Centaur, che usano tecnologia simile.

MA scusa la domanda forse banale: usi un software CAD per fare quei modelli vero? prima ti fai gli sketch e poi li estrudi no? io sono ammirato, personalmente smadonno dietro alla modellazione di pezzi semplici con Inventor....

Francesco

Utilizzo semplicemente Anim8or come abbiamo sempre fatto qui nel gruppo ;-) è un cad 3d ma molto semplificato. Gli sketch li ho fatti prima partendo da alcuni calcoli partendo dalle prestazioni di massima, con cui capire le dimensioni generali che poi ho raffinato. Una volta avute le dimensioni esatte ho aggiunto via, via tutti i dettagli. I motori sono stati la prima cosa che ho modellato a livello di dettaglio. La mia follia implica anche che, se togli la "pelle", all'interno degli stadi si vedono dettagli come i serbatoi (le cui dimensioni sono state calcolate accuratamente tramite un foglio di calcolo excel da me impostato con molta fatica), le linee del propellente, le linee di pressurizzazione e altre cose che in simulazione non si vedranno MAI a meno di andare "dentro" col punto di visuale ahahah
Posterò qualche immagine in trasparenza.

Oggi lavoro diverso. Sto producendo i "test articles" dei vari stadi per le prove di assemblaggio e interfaccia con le rampe di lancio, che presto inizierò a disegnare. Conoscete il Saturn 500-F? Il finto Saturn V che veniva usato per provare i collegamenti con la rampa di lancio e che venne fatto oscillare A MANO, usando olio di gomito, dai tecnici NASA per vedere che non andasse tutto in pezzi?
Ecco qui è lo stesso concetto. Stadi finti ma con gli esatti ingombri e soprattutto con gli attacchi nelle giuste posizioni. Qui un esempio:



Gli attacchi verdi sono quelli elettrici e di condizionamento. Quelli rossi: propellente e pressurizzazione. A questi attacchi si dovranno interfacciare esattamente quelli della futura rampa. Ho dovuto seguire questo passaggio per avere un ambiente di lavoro più pulito una volta che tutto sarà assemblato insieme e per non caricare il processore di un superlavoro di calcolo (tra razzo e rampa io penso che tutto insieme si andrà a svariate centinaia di migliaia di poligoni e diventerebbe complicato lavorarci)

Ed ecco finalmente il "test article" (vedi sopra) del Nova B, la versione completa e più potente della famiglia, assemblato e pronto ad essere interfacciato con la rampa (che ancora non esiste ). Come vedete c'è un gran numero di attacchi che dovranno combaciare. Ho evidenziato anche gli agganci dei boosters in giallo.

Il primo veicolo che auspicabilmente verrà testato in volo sarà, abbastanza logicamente, il più piccolo e semplice, il bistadio Nova M, che come prestazioni si colloca nella fascia bassa della vecchia famiglia Jarvis. Qui sto iniziando un po' di lavoro concettuale sulla prima rampa di lancio (quella più piccola) e sulle interfacce. In rosso carica propellente e pressurizzazione, in verde elettrico e condizionamento, in giallo le morse di aggancio alla rampa di lancio. I bracci della torre di lancio sono obliqui per una mera questione geometrica: in questo modo sarà possibile disconnetterli con un solo movimento di rotazione (se fossero dritti non sarebbe possibile: servirebbe retrarli e POI ruotarli). Le rampe saranno dei meri oggetti in Spacecraft e io odio programmare le animazioni in Spacecraft



Il modello che vedete comprende dei boosters, che sono lì solamente per aiutarmi a dimensionare il pozzo di scarico dei motori: la rampa avrà infatti la previsione per ospitare il razzo in versione aumentata da SRB solidi, anche se per ora non sarà realizzata. Lo stadio centrale sarà comunque predisposto per ospitare i relativi attacchi.

Se qualcuno volesse proporre dei payloads per il primo volo di prova (la cui data assolutamente non posso prevedere ma sarà ben dentro il 2023), si faccia avanti Vendo lanci a prezzi modici

Comunque se vi annoio ditelo...

Ma che annoi... qua si ammira!

Francesco

Grazie I consigli sono sempre bene accetti anzi vi esorto!

Anyway... sto cominciando a s-ragionare per quanto riguarda la prima rampa di lancio, quella piccola. Ho pensato di fare una concessione al design (e alla praticità di modellazione) scegliendo un disegno un po' più moderno rispetto al tralicciato che conosciamo bene. Ispirato un po' dalle rampe Ariane. Non so se sarà il design definitivo.



I parallelepipedi colorati sono come sempre dei placeholder che andranno sostituiti con le strutture definitive. Teoricamente ci andrebbe anche la white room per gli equipaggi di Antares, ma non so ancora se aggiungerla in questa fase. Ho però già aggiunto il sistema di soppressione sonora alla base del razzo:

Il lavoro sulla rampa procede piano piano. Aggiunti i bracci:


Sto avendo difficoltà in una cosa banale come... la scala di accesso alla rampa. Parto per disegnare razzi e mi ritrovo a costruire scale

Andrew ha scritto:

Parto per disegnare razzi e mi ritrovo a costruire scale

Mi raccomando fa un bel lavoro sulle scale, qua a Milano Bovisa, la stazione del Politecnico, hanno sbagliato il rapporto pedata/alzata e si inciampa sempre per forza

Scherzi a parte, bella rampa!

Francesco

Grazie!

Questa è la rampa "Beta", quella dedicata solo al Nova M che è l'unico che non fa uso del grosso core stage criogenico. La rampa "Alpha" sarà quella principale per tutti gli altri modelli del razzo e sarà, oltre che molto più grossa, anche estremamente complicata perché oltre agli attacchi per il razzo centrale serviranno tutti quelli per i boosters! Per dire, qui ci sono 4 attacchi complessivi tra razzo e rampa, mentre nella versione finale del razzo saranno 14, esclusa la white room!

Proprio riguardo la white room, ho visto che volendo adattare lo spazioplano Eridanus al nuovo razzo, dovrò montarlo in punta anziché lateralmente, altrimenti non avrei l'accesso all'equipaggio... o dovrei installarne due, complicando ulteriormente il tutto... e la rampa grande non necessita di ulteriori complicazioni!

Habemus scala