Kerbal Space Program: il simulatore spaziale che piace a ESA e NASA

Scopriamo quanto in profondità si spinge Kerbal Space Program e quante nozioni aerospaziali sono davvero implementate nel titolo del team Squad.

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Quando si parla di simulatori di volo è lecito pensare all'eccellente Mircosoft Simulator, uno dei più completi software di volo, impiegato realmente durante alcune fasi di addestramento dei piloti. Ma per quanto riguarda lo Spazio? Ecco che spunta fuori il Kerbal Space Program, divenuto famoso per essere un simulatore davvero ricco di funzioni e dalle meccaniche molto complesse e articolate: ma fino a che punto si spinge la sua precisione?
Oltre agli elementi che verranno illustrati tra poco, esistono molte altre meccaniche implementate in questo simulatore aerospaziale, dalle dinamiche legate al centro di massa dei velivoli alle meccaniche di telecomunicazione e oscurazione/interferenze dei satelliti. Cercheremo di farvi un riassunto del suo funzionamento, tenendo ben presente che riusciremo solo a scalfire la superficie di questo simulatore.

Kerbal

Kerbal Space Program è un videogioco di simulazione spaziale famoso per la sua accuratezza, tanto amata quanto odiata dai videogiocatori di tutto il mondo. Il gioco guadagnò così tanto successo che la software house sviluppatrice (Squad) venne acquisita da Take-Two Interactive nel 2017. Seppur con qualche piccola mancanza dal punto di vista fisico (cosa che, di fatto, lo rende fruibile al solo pubblico di videogiocatori) rimane comunque un Sandbox complesso e ricco, con molte leggi fisiche correttamente simulate, acquistabile da chiunque tramite Steam.

Volare

Una delle meccaniche meglio implementate all'interno di Kerbal è sicuramente il comparto aerodinamico ed il comportamento del velivolo operativo. Il simulatore include nella sua esperienza simulativa tutti i concetti ben noti agli ingegneri, in particolare tutto ciò che riguarda il moto del velivolo quando è soggetto a forze di natura aerodinamica.
Nel descrivere il moto di un velivolo è fondamentale saper individuare tre diverse rotazioni attorno ad altrettanti assi, che costituiscono una terna detta "di stabilità". Nell'immagine che segue sono rappresentati da tre colori diversi.

Rollio: è la rotazione del velivolo attorno all'asse verde, detto "Roll Axis". Questa rotazione è principalmente dovuta alla deflessione asimmetrica degli alettoni: ad esempio, se l'alettone destro si abbassa e quello sinistro si alza, l'ala destra si alzerà e la rotazione avverrà in senso antiorario.

Beccheggio: è la rotazione attorno all'asse rosso. Il beccheggio (o pitch in inglese) è avvertibile quando il velivolo è in fase di decollo o di atterraggio, e ancora una volta sono gli alettoni a contribuire in modo significativo a questa rotazione, ma non quelli dell'ala, bensì quelli del piano di coda: una deflessione verso il basso della parte mobile del piano di coda farà aumentare la portanza in coda, e dunque il muso del velivolo tenderà ad abbassarsi, e viceversa.

Imbardata: è la rotazione attorno all'asse azzurro (Yaw Axis) e per descriverlo rapidamente, si potrebbe pensare ad una similitudine con una "derapata" effettuata da un'auto da Rally su di un terreno. L'elemento principale per effettuare questa rotazione è il Timone, l'elemento verticale posto in coda al velivolo.

La combinazione di questi tre moti è riprodotta in modo molto accurato nella simulazione di Kerbal, e anzi ne rappresenta uno dei punti centrali dell'intera esperienza simulativa.

Avere il controllo sull'orientamento del velivolo nello spazio è fondamentale per tutte le operazioni di decollo, aggancio, sgancio, atterraggio e anche semplicemente per rispettare il giusto orientamento percorrendo un'orbita attorno ad un pianeta.

Orbite

Anche l'aspetto legato alla descrizione dell'orbita è ben curato all'interno di Kerbal. In particolare, all'interno del simulatore è possibile avere a che fare con tutti i tipi di orbita. Ricordiamo che per "Orbita" si intende la traiettoria descritta da un corpo in moto attorno ad un punto (o due punti, nel caso di orbite ellittiche).
Ovviamente nello spazio il "punto" in questione è sempre un oggetto dalla massa molto maggiore rispetto alla massa del velivolo in moto, e chiaramente la traiettoria è conseguenza dell'azione della forza d'attrazione gravitazionale esercitata dalla massa maggiore su quella minore (l'interazione inversa è trascurabile). Nel gioco vengono distinte le orbite circolari, ellittiche paraboliche e iperboliche:

Il parametro fondamentale per distinguere queste diverse coniche è "e", detto "eccentricità". L'eccentricità viene valutata in maniera diversa a seconda della conica in esame, ma volendo dare una definizione generica, si può pensare all'eccentricità come quel valore che indica di quanto la conica in esame si "allontani" dal somigliare ad una circonferenza (figura geometrica che ha eccentricità pari a 0). Ma in Kerbal vi è un ulteriore grado di approfondimento.

Orbite Prograde / Retrograde

Orbite Prograde e Retrograde rappresentano il modo di classificare il verso con cui l'orbita viene percorsa rispetto alla rotazione del pianeta attorno cui avviene il moto. Prograda indica che l'oggetto orbita con lo stesso verso di rotazione del pianeta (entrambi antiorari, o entrambi orari) mentre Retrograda indica che l'oggetto percorre l'orbita in verso opposto a quello di rotazione del pianeta.

Inclinazione orbitale

Il simulatore tiene conto anche del fatto che il piano dell'orbita, ovvero il piano in cui giace tutta la traiettoria, possa essere inclinato rispetto al piano equatoriale del pianeta. Molti satelliti terrestri percorrono orbite chiuse con forti inclinazioni rispetto al piano dell'equatore.

Entrare in orbita

Il simulatore riesce anche a riprodurre gli effetti della rotazione terrestre sul lancio in orbita di un velivolo: per raggiungere un'orbita stabile è necessario non solo superare la velocità di fuga del pianeta da cui si decolla, ma è fondamentale avere la giusta velocità "orizzontale" per avviare un'orbita chiusa.

Come accade nella realtà, per consumare meno carburante si preferisce sfruttare l'accelerazione offerta dalla rotazione terrestre: per chiarire il concetto, prendiamo in considerazione l'immagine seguente.

Nell'immagine, la rotazione terrestre avviene da sinistra verso destra, dunque è vantaggioso effettuare un lancio che porti il velivolo a percorrere la stessa direzione verso cui ruota la Terra, cosicché si possa sommare vettorialmente l'accelerazione data dal sistema propulsivo all'accelerazione fornita dalla rotazione terrestre.
É come se si volesse accompagnare il decollo di un drone dal palmo della vostra mano, spingendo verso l'alto il palmo nello stesso instante in cui si decide di mettere in moto le eliche del drone. Il drone decollerà con una sorta di "vantaggio" di spinta.

Raggiungere la velocità giusta è fondamentale per poter percorrere l'orbita nella sua interezza: un velocità inferiore comporta l'impossibilità di eseguire l'orbita, con una predominanza della forza d'attrazione gravitazionale che riporterà il corpo verso l'atmosfera e dunque verso Terra.
Il calcolo della velocità necessaria può essere ostico da descrivere, ma la simulazione offerta da Kerbal permette di effettuare delle prove variando di volta in volta la velocità posseduta dal velivolo, fino a trovare quella corretta per la messa in orbita.

Aerodinamica del lancio

Il simulatore tiene conto di fenomeni aerodinamici di resistenza generati dalla geometria del razzo in moto. In ambito aerospaziale calcolare questi coefficienti di resistenza può risultare complesso, ma nel simulatore viene ben approssimato l'effetto che la geometria del velivolo ha sull'aerodinamicità e sull'interazione tra velivolo e "aria".

La forma appuntita dei razzi è tale da, tra le altre cose, minimizzare questa resistenza: un razzo che si ritrovasse ad avere una superficie piana perpendicolare alla direzione del moto incontrerebbe una resistenza enorme. Per comprendere al volo questo principio, basta immaginare di essere in un'auto in corsa e posizionare la mano fuori dal finestrino: orientando le dita della mano nella stessa direzione di avanzamento dell'auto, si avverte una piacevole sensazione dovuta al fatto che il fluido (l'aria) scorre senza impedimenti attorno ad essa.
Se però si posizionano i palmi in direzione perpendicolare al moto dell'auto, ecco che la mano è spinta verso la direzione opposta al moto del veicolo, in quanto incontra una notevole resistenza dovuta proprio alla geometria che mal si sposa con il moto del flusso d'aria.

Propulsori

In Kerbal sono inclusi tutta una serie di componenti atti ad aumentare la velocità di volo del velivolo: come nella realtà, nel simulatore sono presenti motori a combustibile liquido e motori a combustibile solido, oltre ai propulsori ionici. Sono presenti combustibili e ossidanti, elementi fondamentali del propulsore liquido.

Nella realtà, la scelta di uno o dell'altro tipo di propulsore è dettata da esigenze operative, legate soprattutto al tempo di funzionamento del propulsore: un propellente di tipo solido genera una spinta che non può essere modulata rispetto al propellente liquido, ma il tempo di combustione è in genere minore.

Di contro, una volta avviato il processo di combustione del propellente solido, questo non può più essere arrestato. Dunque sta all'utente scegliere quale sia la soluzione migliore, in base alla distanza da percorrere, l'altitudine da raggiungere, l'orbita nella quale immettersi.

Anche il loro assemblaggio sulla struttura principale è accurato: come nella realtà, il razzo è composto da stadi, e nel simulatore l'utente può decidere grandezza e funzione di ogni singolo stadio del razzo. Ovviamente, affinché il lancio avvenga con successo, conviene "copiare" le configurazioni prendendo spunto da razzi realmente prodotti, ma nulla vieta all'utente di sperimentare una propria configurazione (conscio del fatto che se tale configurazione non è mai stata adottata dalla NASA, ci sarà sicuramente una ragione).

Credit immagini: kerbalspaceprogram.com