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SR-71: il Motore

9 anni fa

20 minuti

SR71

Si è fatto un gran parlare del jet “più supersonico” di sempre, abbiamo visto come è stato concepito e cosa ci si è inventati nella sua costruzione. Ma cosa effettivamente rendeva possibile raggiungere quelle velocità da brivido?

Come è lecito aspettarsi, anche qui andremo incontro ad un “attacco di ingegneria” che ha del miracoloso, e stavolta il merito andrà diviso equamente fra i genietti degli Skunk Works e i ragazzi della Pratt & Whitney, azienda leader nel settore della propulsione.

Nota PdF™: prima di cominciare vorrei ricordare per l’ennesima volta che questo articolo e tutti gli altri della serie sono un tentativo, riuscito o meno sta a voi deciderlo, di raccontare una storia, condendola con un po’ di dettagli curiosi e più o meno tecnici. Non vuole e non potrebbe essere una trattazione specialistica, men che meno in argomenti complessi come questo.

Ora che ci siamo tolti questo piccolo sassolino dalla scarpa, facciamo come d’abitudine un tuffo indietro nel tempo nei ruggenti anni ’60.

 

 

 

Perchè turbojet è bello

Nelle prime fasi del progetto Oxcart, parallelamente allo sviluppo di un telaio in grado di soddisfare le richieste strutturali estreme, in Lockheed si sta cercando un motore capace di erogare la spinta necessaria a raggiungere e superare la barriera di Mach 3 per un tempo prolungato (e non per brevi sprint come accadeva con gli X-Planes).

Fun Fact: giusto per dare un termine di paragone meno “aeronautico”, Mach 3 equivale circa a poco più di 1 km/s a livello del terreno, qualcosa come 3600 km/h. Ricordate però che si parla sempre di valori molto indicativi in quota.

All’epoca una sola tipologia di motori sembrava essere in grado di muovere un mezzo dalla pista di decollo fino a velocità elevate per tutta la crociera: il turbojet.

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Ne abbiamo già parlato di sfuggita nel primo articolo, ma andiamo a vedere, con grande semplificazione, il funzionamento di un turbojet abusando del chiarissimo schema che ci offre Wiki:

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L’assieme è composto da vari stadi con funzioni differenti:

  • Presa d’aria – la parte frontale del motore, con il compito di incanalare il flusso d’aria verso gli altri stadi.
  • Zona di compressione – nella quale l’aria viene compressa e scaldata.
  • Camera di combustione – in cui l’aria viene in contatto con il combustibile ed avviene la reazione di combustione (la sagra dell’ovvio…).
  • Zona delle turbine – nella quale viene recuperata dell’energia dal flusso ad alta temperatura per muovere il compressore e tutti gli accessori (pompe del raffreddamento, della combustione, generatori ecc…).
  • Zona di scarico – in cui viene espulso il getto di gas in uscita, possono essere presenti dei flap circolari in grado di modificare l’effettivo diametro dello scarico.

 

I bonus dei postbruciatori

Oltre a questi stadi “standard” nel corso degli anni si è sviluppato un dispositivo accessorio per permettere un incremento temporaneo della spinta erogabile: i postbruciatori.

Si tratta di un elemento, generalmente costituito da ugelli anulari posizionati in zona di scarico, la cui funzione è essenzialmente spruzzare nel flusso di gas in uscita dalla camera di combustione ulteriore carburante.

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In un tipico motore turbojet, la reazione interna non è tra le più efficaci dal punto di vista stechiometrico e rimane ancora parecchio ossigeno contenuto nei gas di scarico, principalmente perchè avere una combustione completa prima della turbina la sottoporrebbe a stress termici insopportabili.

Si ottiene una “postcombustione” che regala una buona fetta di energia extra.

Andando quindi ad iniettare a valle della turbina un’altra dose di carburante nel flusso d’aria calda parzialmente combusta, si ottiene una “postcombustione” che regala una buona fetta di energia extra.

Come sempre accade non è tutt’oro quello che luccica e il contributo alla potenza erogata viene a fronte di un processo inefficiente, un consumo di carburante altissimo ed una forte (spesso distruttiva) sollecitazione termica sull’ugello e l’intera struttura posteriore del motore.

Un processo inefficiente, un consumo di carburante altissimo ed una forte sollecitazione termica

Per questi motivi l’utilizzo di questo boost non è visto di buon occhio e lo si utilizza quasi esclusivamente in ambito militare nelle fasi delicate in cui sia necessaria la massima spinta possibile, come il decollo o le concitate fasi di un combattimento aereo.

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Ormai non spero più di sorprendervi affermando che ovviamente l’SR-71 fa eccezione a questa “regola”… Ma di questo parleremo fra poco.

 

 

 

Padri e figli: P&W J75 e J58

Kelly Johnson, che nel suo repertorio di miracoli non annovera quello di poter costruire da zero un propulsore, comincia a guardarsi attorno alla ricerca di un fornitore affidabile per i motori del suo nuovo progetto.

La scelta ricade da subito su un’illustre azienda del settore, la Pratt & Whitney, molto simile per gestione e modo di lavorare al supergruppo degli Skunk Works (non a caso proprio dal progetto Oxcart nascerà un sodalizio fra i due gruppi molto stretto).

Nei cantieri della P&W si sta lavorando ad un progetto altamente ambizioso: lo sviluppo del motore J58.

Sulla spinta della “corsa al supersonico” che sta interessando il mondo in quegli anni a cavallo fra i ’50 e i ’60, nei cantieri della P&W si sta lavorando ad un progetto altamente ambizioso che sembra fare proprio al caso di Johnson e soci: lo sviluppo del motore J58.

Il gioiellino che con tanta cura ed amore gli ingegneri P&W stanno sviluppando è una bestia tanto imponente quanto delicata, combinando prestazioni da favola con una progettazione spinta al limite in tutti gli ambiti.

Nato da altri progetti indipendenti della stessa casa, il JT-11 (nome “civile” del motore, la designazione J-58 è la versione militare) trova la svolta proprio nella collaborazione con gli Skunk Works ed il flusso di denaro dell’USAF che ne consegue.

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In figura sono indicate le tre incarnazioni più significative del personaggio, ma dobbiamo tenere a mente fin da subito che il passaggio dalla prima versione, ancora priva di postbruciatori e modifiche per il volo supersonico, all’ultima incarnazione, è stato tutt’altro che facile e breve.

I tempi necessari per ottenere un prototipo di propulsore funzionante si rivelano essere estremamente lunghi.

Come tutti noi possiamo immaginare, trattandosi di un esperimento mai tentato prima con variabili addirittura più complesse rispetto a quelle affrontate da Johnson nella fase di design del telaio, i tempi necessari per ottenere un prototipo di propulsore funzionante si rivelano essere estremamente lunghi. Ogni piccolo miglioramento richiede di essere testato con la minima cura, sviluppando al contempo la “teoria” relativa.

Nel 1962 i motori J58 sono ancora troppo acerbi

A causa di questa fase di sviluppo tribolata, quando nel 1962 i primi modelli di A-12 sono pronti per il loro primo volo, i motori J58 sono ancora troppo acerbi per poter essere utilizzati. Piuttosto che far ritardare l’intero progetto, si decide di attrezzare i velivoli con il più umile modello J75 per i primi test.

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Il motore in questione, che possiamo considerare il “padre spiritualedel J58, è una piattaforma molto più limitata, ma caratterizzata da una grande affidabilità e già utilizzata per muovere un buon numero di aerei, come ad esempio lo sfortunato Martin P6M SeaMaster, l’ultima fatica dell’azienda che diverrà parte dell’odierna Lockheed Martin.

 

 

 

Umile non vuol dire inutile

Come tutti si aspettavano il J75 non è per nulla in grado di avvicinarsi alle prestazioni richieste ai Blackbird, ma risulta comunque fondamentale sia nella fase di rodaggio e di raccolta dati sul neonato airframe nonchè nella fase di sviluppo del suo fratello maggiore.

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Oltre a far volare i primi modelli di A-12, il J75 è utilizzato anche in una maniera meno convenzionale.

Mettono a punto un banco di prova particolare montando “in serie” un J75 ed un J58

Per poter testare le reali condizioni di esercizio alle quali avrebbe dovuto lavorare il nuovo propulsore, i tecnici P&W mettono a punto un banco di prova particolare montando “in serie” un J75 ed un J58, in modo che gli scarichi del più piccolo diventino il flusso in ingresso al fratello maggiore (l’immagine si riferisce a un test bench più recente, con delle semplici turbine al posto del J75, lavorate di fantasia).

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All’inizio del 1963 i primi modelli di J58 sono pronti per abbandonare i banchi prova per poter essere montati su un velivolo, ma le loro prestazioni sono ancora inferiori alle aspettative, e una buona parte degli interrogativi rimane ancora irrisolta.

Per evitare di andare incontro ad incidenti disastrosi si decide di attrezzare per qualche mese i Blackbird con una configurazione ibrida, utilizzando cioè sullo stesso modello un J75 ed un J58.

Grazie al periodo di testing sul campo, alla versatilità dimostrata dal nuovo propulsore ed alle abilità del team di progettisti vede finalmente la luce la versione “definitiva” del J58, identificata a rigore come la variante P4, indicata spesso anche con il codice “civile” JT11-D20.

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Questo motore da 3 tonnellate e lungo più di 5 metri è la vera anima dei Blackbird, una bestia in grado di erogare una spinta di poco inferiore ai 150 kN, nonchè il primo e unico propulsore turbojet a poter sostenere in continuo un regime di velocità superiore a Mach 3, con postbruciatori virtualmente sempre alla massima potenza.

Fun Fact:  Bill Parks, il primo pilota ad effettuare un volo di prova a Mach 3 sul mezzo Lockheed, ha raccontato che un singolo esemplare dei nuovi motori installati garantiva una potenza superiore a quella erogata dai motori della RMS Queen Mary combinati.

 

 

 

 

 

L’evoluzione del “Mighty Engine

Andiamo ora a vedere un po’ più da vicino i tre scogli più grossi che si sono frapposti fra l’idea dei progettisti e la sua effettiva realizzazione.

 

I postbruciatori

È evidente fin da subito che con la tecnologia di quegli anni (e per molti versi anche con la attuale) per poter anche solo sperare di muovere a Mach 3 un aereo in continuo si debba far ricorso ai postbruciatori. Nessuna altra tecnologia “pratica” poteva riuscire nell’intento.

Ma ciò pone gli ingegneri di fronte ad un problema molto serio: la temperatura della struttura.

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Nelle zone più sollecitate si arriva anche ai 1800°C. In continuo.

Utilizzo intelligente ed estensivo di titanio e superleghe base nichel.

Il rimedio principale consiste nell’utilizzo intelligente ed estensivo di titanio e superleghe base nichel (Waspalloy, Hastelloy-X, Haynes 230 ecc…), materiali che hanno del miracoloso nel sopportare regimi termici estremi, assieme alla realizzazione di sistemi di raffreddamento sia interni che esterni ai pezzi più sollecitati.

Ricordiamoci sempre che all’epoca il J58 è il primo ed unico turbojet a poter operare i postbruciatori in continuo senza timore di essere sostituito dopo ogni volo.

 

 

L’introduzione delle “spikes

Dai dati raccolti appare però evidente che, anche ammesso di riuscire a raggiungere la velocità trisonica, un’ altra complicazione è subito in agguato: il volume di aria in ingresso al propulsore è decisamente troppo elevato ed il compressore non riesce a gestirlo adeguatamente.

Fun Fact: ciascuno di questi propulsori a velocità di crociera si calcola che ingurgiti qualcosa come 3000 metri cubi di aria al secondo, con un rapporto di compressione di 40:1. La quantità di aria equivale grossomodo a quella respirata ogni secondo da due milioni di persone a livello del suolo.

Tutti i turbojet sono infatti in grado di “digerire” un flusso di aria ad una velocità compresa fra 0.3 e 0.5 Mach, indipendentemente dall’effettiva velocità dell’aereo, andando incontro a fenomeni di stallo quando ciò non avviene.

Il problema è molto più serio di quanto possa sembrare, e richiede di ripensare radicalmente l’intera struttura, interna ed esterna, del motore.

Una trovata tanto semplice nella sua concezione quanto geniale.

Il primo tentativo di soluzione viene dal team Lockheed, con una trovata tanto semplice nella sua concezione quanto geniale.

Se il problema è il volume del flusso in entrata, basta regolarlo con l’impiego di un ingresso a geometria variabile, capace di adattarsi di volta in volta alle esigenze del propulsore ed alle velocità del mezzo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nella pratica quest’idea prende la forma di un dispositivo conico (spike) montato di fronte alla bocca del motore, la cui posizione orizzontale è regolata da un meccanismo a vite, fissato al telaio tramite quattro razze.

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La configurazione è governata da un controllo computerizzato (bypassabile manualmente in caso di necessità) che interviene una volta superata una certa combinazione di quota e velocità.

Al di sotto dei 30000 ft (9.1 km) la punta è bloccata nella posizione più avanzata possibile, oltre questa quota ed a partire dalla velocità di Mach 1.6 la spike viene arretrata di circa 4 cm ogni 0.1 Mach, fino ad arrivare a fine corsa ad un arretramento complessivo di circa 66 cm.

Vi starete chiedendo: “ok è bellina, dona una patina di cattiveria all’aereo e si muove anche avanti e indietro. Ma che cos’è che fa effettivamente ‘sta punta?”

Permette di allargare o stringere il “tubo” di aria che entra effettivamente nel vano motore.

Come sempre la risposta completa esula dalle mie competenze, ma in estrema sintesi, la posizione della punta permette di allargare o stringere il “tubo” di aria che entra effettivamente nel vano motore, mantenendo al contempo l’onda d’urto all’interno della struttura. Abbiniamo questo effetto al complicato sistema di paratie e deviazioni interne presenti ed otteniamo un efficace sistema di rallentamento dell’aria in entrata anche nei regimi più estremi.

Tutto a posto allora. O no?

No. Nonostante la bella idea delle spike, il problema sembra essere solo spostato.

 

 

Air bleed bypass

L’aria in ingresso è sì rallentata, ma è anche compressa e quindi scaldata. Come per la questione del volume, anche la temperatura del flusso gioca un ruolo fondamentale: troppo alta (oltre i 400°C circa) e nel migliore dei casi si ottiene uno stallo, nel peggiore un danneggiamento strutturale interno. Comunque la si metta, non la più rosea delle prospettive.

Nei motori turbojet esistono normalmente varie paratie che deviano una piccola parte del flusso in ingresso verso l’esterno per molteplici motivi (rimozione di turbolenze indesiderate, raffreddamento degli organi più sollecitati ecc…), ma stiamo parlando in genere di quantità d’aria trascurabili.

Certo si potrebbe pensare di buttarne fuori in questo modo molta di più, ma si andrebbe a perdere una bella fetta di propulsione, indispensabile per mantenere le alte velocità.

Che fare?

Anche qui l’idea può sembrare a prima vista banale ma è un autentico colpo di genio dei ragazzi della P&W.

Realizzano sei aperture in prossimità del quarto stadio del compressore, tre sul lato interno e tre su quello esterno, e vi si fissano sei tubi, in modo da collegare suddette aperture con la zona dei postbruciatori.

Tubi

Al raggiungimento delle condizioni critiche di funzionamento, un sistema di paratie interne dedicato fa sì che si aprano le sei uscite nello stadio di compressione, deviando una buona parte del flusso di aria in ingresso e bypassandolo così oltre l’intero tratto di combustione e turbine.

Lo stratagemma non solo alleggerisce il carico sul compressore, migliorandone il rendimento, non solo raffredda gli stadi posteriori più sollecitati, ma soprattutto permette di non perdere la frazione di aria deviata. Difatti essa è già compressa dal passaggio nella spike e parzialmente riscaldata, e può cosi tranquillamente andare ad alimentare una combustione “extra” nei postbruciatori.

 

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Un “concerto” di soluzioni

Come già accennato nel primo articolo della serie, i turbojet si comportano bene alle basse velocità, con un rendimento buono e buone prestazioni, lasciando la palma di motore più efficiente ai ramjet una volta superato Mach 2.

Le tre “soluzioni” illustrate riescono a trasformare il J58 in un motore “composito”.

Il pregio delle tre “soluzioni” illustrate è che, agendo in concerto l’una con l’altra, riescono a trasformare il J58 in un motore “composito”: alle basse velocità (in cui il bypass non è attivo) si comporta come un normale turbojet, mentre alle alte velocità è come se si andasse ad accoppiare al turbojet classico centrale un ramjet “anulare” periferico con un rendimento molto più alto.

Fun Fact: Per farsi un’idea di quanto sia geniale la trovata, si stima che a velocità di crociera di Mach 3.2 quasi l’80% dell’intera propulsione derivi dall’utilizzo combinato di spike e postbruciatori alimentati col bypass, lasciando un misero 20% al propulsore tradizionale.

 

 

 

 

L’altra faccia della medaglia

Abbiamo appena visto che gli sforzi combinati dei due team gemelli di Lockheed e P&W sono riusciti a produrre uno dei propulsori più performanti di tutta la storia dell’aviazione.

Ma un oggetto così spinto al limite non può che essere molto delicato, comportando l’insorgere di numerosi problemi “minori” che lo accompagneranno durante quasi tutta la sua storia operativa.

Vediamone qualche esempio.

 

Il fenomeno dell’ unstart

Uno dei compiti fondamentali della spike è quello di regolare il flusso d’aria in ingresso in modo da alimentare il compressore in maniera costante.

Può però accadere per una miriade di motivi diversi (errato posizionamento della punta, turbolenze improvvise, manovre, fuoriuscita dell’onda d’urto dalla struttura del motore ecc…) che tale flusso costante venga interrotto o modificato.

Quando questo accade si ha il cosiddetto fenomeno dell’ unstartovvero uno stallo, con un crollo della propulsione estremamente netto ed improvviso. All’insorgere del problema in uno dei due motori inevitabilmente si va incontro ad una “spazzata” dell’aereo, spinto da un solo lato. 

Fun Fact: Vari racconti del personale riferiscono che il movimento improvviso dell’aereo era talmente forte da far sbattere violentemente la testa dei piloti contro il cockpit, portando in alcuni rari casi al danneggiamento del casco stesso.
L’unstart è stato una delle maggiori spine nel fianco dei Blackbird

Nel corso degli anni si sono inseriti vari sistemi automatici per risolvere il problema tramite riposizionamento di spike e paratie, ma fino all’introduzione di un controllo elettronico negli ultimi anni di vita del progetto, l’unstart è stato una delle maggiori spine nel fianco dei Blackbird e una delle principali paure dei piloti.

 

I detriti

Sempre a causa della loro progettazione al limite e la loro struttura interna, i primi esemplari di J-58 si sono rivelati estremamente sensibili all’ingestione di particelle estranee.

logo

In uno dei primissimi test addirittura il logo della P&W (posizionato furbescamente nella parte anteriore del velivolo) è stato causa di danneggiamento dopo essersi staccato ed essere stato ingerito dalla vorace bocca del motore.

Un altro simile episodio curioso si è avuto quando un responsabile alla manutenzione ha dimenticato la torcia appoggiata nel vano motore, la quale è andata allegramente a distruggersi all’interno, producendo danni per circa 250.000 $ di allora (un SR-71 completo ne costava circa 35 milioni).

Danni

Il primo rimedio adottato dall’azienda è stato quello di pianificare una campagna informativa sui rischi del F.O.D. (come il cartellone che avete brillantemente notato in una delle foto dei cantieri nello scorso articolo), seguito da una parziale riprogettazione degli spazi interni del propulsore, per ridurre i danni in caso di ingestione.

Nonostante ciò tutti gli ambienti a contatto con il mezzo, come hangar e piste di decollo venivano puliti con precisione maniacale più e più volte.

 

 

 

Questioni alimentari: il carburante

Evidente è il fatto che un mezzo con requisiti estremi come il Blackbird non possa essere alimentato con un carburante tradizionale.

Lo stesso carburante è utilizzato come liquido refrigerante.

Il motivo più significativo di questa affermazione deriva da una scelta costruttiva particolare, in quanto Johnson e soci hanno deciso di risparmiare sul peso del mezzo utilizzando lo stesso carburante come liquido refrigerante.

La scelta non è poi così assurda se si considera che il Blackbird è essenzialmente un serbatoio volante, in cui gran parte del volume utile (e quindi del peso) è occupato proprio dal carburante.

Alla luce di ciò si rende necessaria una sostanza con un buon potere energetico, ma in grado anche di mostrare un’ elevata stabilità termica e bassissima volatilità, per non evaporare o depositare residui in esercizio e per poter operare in un ampio range di temperature.

La scelta del team ricade sul JP-7, misto di vari idrocarburi con piccole aggiunte di composti di cesio, pensato e realizzato per il solo motore J-58 e per il solo progetto Blackbird.

Fun Fact: si è scoperto solo dopo i primi voli e con grande stupore degli stessi progettisti, che in condizioni standard un SR-71 consumava circa 17 ton/h di carburante a Mach 3, mentre accelerando fino a Mach 3.15 il consumo scendeva a meno di 16 ton/h.

 

Accensione

L’elevata stabilità del JP-7 ha come diretta conseguenza una scarsissima reattività, che si riflette nel fatto che sia estremamente difficile farne partire la combustione.

Per ovviare al problema i tecnici hanno fatto ricorso ad un composto piroforico noto come “trietilborano” (TEB), che si accende spontaneamente ad una temperatura superiore ai -5°.

Due piccole bombole da circa 6 litri di TEB sono poste all’interno del serbatoio del carburante principale, e piccole quantità di sostanza vengono inettate in camera di combustione ad ogni nuovo avvio, creando la tipica fiamma verde caratteristica dell’accensione.

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Fun Fact: l’aggiunta di TEB in camera di combustione è necessaria sia per far partire i motori che per i postbruciatori. La scorta nelle bombole è sufficiente per circa 16 operazioni di avvio, fattore che è il vero limite per il numero di rifornimenti in volo effettuabili: durante il rifornimento è necessario infatti spegnere i postbruciatori.

 

 

Piccola nota Bonsaikitten

Una delle leggende più diffuse riguardo al nostro SR-71 riguarda il suo serbatoio “bucato”.

Ed è una mezza bufala.

Ho sentito spesso parlare del fatto che l’aereo perdesse galloni su galloni di carburante sulla pista di decollo e che fosse necessario rifornirlo appena partito proprio per questo. Facciamo un po’ di chiarezza.

Leak

I serbatoi del carburante subiscono in esercizio sbalzi di alcune centinaia di gradi e vari tentativi sono stati fatti per sigillarli adeguatamente.

La soluzione effettivamente impiegata da Johnson prevedeva l’impiego di guarnizioni e superfici appositamente sottodimensionate rivestite con un composto fluorosilicato progettato per ottenere tenuta stagna solo in condizioni di crociera. Ciò inevitabilmente portava ad una chiusura non perfetta a temperatura ambiente.

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Nonostante ciò ricordiamoci sempre che in Lockheed non erano proprio degli stolti, per cui è decisamente poco credibile la leggenda dei litri su litri di carburante perso.

Si tratta più che altro di qualche superficie “bagnata” piuttosto che degli squarci nella fusoliera.

Abbiamo già avuto modo di accennare che la pannellatura inferiore era stata concepita appositamente per evitare fuoriuscite di questo tipo e come si può notare dalle immagini si tratta più che altro di qualche superficie “bagnata” piuttosto che degli squarci nella fusoliera con il carburante in vista.

Ma siamo ben lontani dall’immagine di aereo-colabrodo

Teniamo poi in considerazione il fatto “pratico” che tutti i Blackbird una volta decollati dovevano oltrepassare le zone a più grande traffico aereo (civile) prima di poter essere riforniti in volo, operazione decisamente difficile se fossero partiti già “in riserva”.

Insomma sì, del carburante veniva effettivamente perso, ma siamo ben lontani dall’immagine di aereo-colabrodo che spesso si tira in ballo.

 

 

 

 

Conclusioni

Eccoci di nuovo alla fine di un nuovo articolo, un po’ più lungo del solito stavolta, sperando come sempre di non avervi annoiato e di non aver commesso errori.

Dopo aver parlato a lungo di come sono fatti ‘sti benedetti aerei, nella prossima puntata cominceremo ad avvicinarci alla loro reale utilità, con una piccola panoramica sui vari tipi di dispositivi che portavano a spasso nelle loro escursioni supersoniche.

Stay tuned!

 

 

Fonti:

Marte: quante persone servono per colonizzarlo?
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