Breve storia della propulsione a razzo

I primi razzi rudimentali erano delle frecce avvolte nella polvere da sparo e scoccate con l’arco. Secondo Liang Jieming, due generali della dinastia Song, Yue Yifang e Feng Jisheng, inventarono un tipo di freccia di fuoco che usava la polvere da sparo come propellente. Gli storici attribuiscono ai cinesi l’invenzione dei primi veri e propri razzi intorno al I secolo d.C. usati allo stesso modo dei fuochi d’artificio moderni.
Tuttavia non esiste nessuna prova documentata di razzi prima del XIII secolo. Intorno al 400 a.C., Archytas, un filosofo e matematico greco, realizzò un piccione di legno sospeso su fili. Il piccione veniva spinto lungo il filo dal rilascio di vapore. Circa 300 anni dopo l’esperimento del piccione, si racconta che il matematico Erone di Alessandria, abbia inventato l’eolipile (o motore di Erone). Si trattava di una sfera posta sopra un contenitore d’acqua bollente. Il vapore penetrava nella sfera ed usciva attraverso due tubi a forma di L collegati sui suoi lati opposti. La spinta creata dal vapore permette alla sfera di ruotare
Per centinaia di anni, i razzi sono stati utilizzati come armi militari, inclusa una versione chiamata razzo Congreve, sviluppata dai militari britannici all’inizio del 1800. Negli ultimi decenni la corsa alla conquista dello spazio è stata resa possibile dalle rivoluzionarie idee di tre scienziati, Konstantin E. Tsiolkovsky, Robert Goddard ed Hermann Obert. Solo Oberth è vissuto abbastanza da vedere realizzato il sogno di esplorare lo spazio.
Il russo Konstantin E. Tsiolkovsky (1857-1935) pubblicò nel 1903 quella che ora è conosciuta come “equazione del razzo” in una rivista di aviazione russa. L’equazione riguarda le relazioni tra la velocità del razzo e la sua massa, nonché la velocità con cui il gas viene espulso dallo scarico del sistema di propulsione e dalla quantità di propellente presente. Tsiolkovsky pubblicò anche una teoria dei razzi multistadio nel 1929.
Robert Goddard (1882-1945) un fisico americano, lanciò il primo razzo a combustibile liquido ad Auburn, nel Massachusetts, il 16 marzo 1926. Brevettò il razzo a combustibile liquido e il razzo multistadio.
Hermann Oberth (1894-1989) nacque in Romania e in seguito si trasferì in Germania. Appassionato di razzi fin dalla tenera età, a 14 anni immaginò un “razzo a rinculo” che poteva muoversi nello spazio usando nient’altro che il suo stesso scarico. Da adulto, i suoi studi si occuparono dei missili multistadio e come usare un missile per sfuggire alla gravità terrestre. Oberth ebbe una pesante eredità avendo contribuito allo sviluppo del razzo V-2 nazista.
Con la fine del secondo conflitto mondiale molti scienziati tedeschi esperti di razzi emigrarono sia nell’Unione Sovietica che negli Stati Uniti, aiutando i due blocchi contrapposti nella conquista dello spazio. In quegli anni di “guerra fredda” i due paesi si sfidarono per dimostrare la supremazia tecnologica e militare per conquistare la nuova frontiera spaziale.
I primi razzi funzionavano molto bene all’interno dell’atmosfera, tuttavia nulla si sapeva del loro funzionamento nel vuoto dello spazio. L’ingegneria missilistica era agli esordi e i computer non erano abbastanza potenti da permettere simulazioni. Queste carenze causarono molti incidenti durante i test, con i razzi che esplodevano entro pochi secondi dalla loro accensione.
I progressi, grazie all’esperienza acquisita, furono notevoli e il 4 ottobre 1957 fu proprio un razzo a inviare il primo satellite artificiale in orbita, lo Sputnik 1 dell’Unione Sovietica. Solo dopo una serie di fallimenti, gli Stati Uniti lanciarono con successo un razzo Jupiter-C che portò il satellite Explorer 1 nello spazio il 1° febbraio 1958.
In seguito i due paesi mandarono nello spazio i primi esseri viventi, per lo più scimmie e cani, poi il 12 aprile 1961 fu la volta del primo essere umano. Il cosmonauta russo Yuri Gagarin fu il primo uomo a volare nello spazio a bordo di un razzo Vostok-K. Circa tre settimane dopo, l’americano Alan Shepard compì il primo volo suborbitale su un razzo Redstone. Alcuni anni dopo, nel programma Mercury della NASA, l’agenzia passò ai missili Atlas per raggiungere l’orbita e, nel 1963, John Glenn divenne il primo americano ad orbitare attorno alla Terra.
La corsa alla conquista dello spazio non si arrestò e la Luna divenne un obiettivo ambizioso per i due blocchi. La NASA si concentrò sullo sviluppo di un imponente vettore, il Saturn V, alto circa 111 metri e composto da tre stadi, l’ultimo dei quali consentiva a tre astronauti di lasciare l’orbita terrestre. Il potente vettore inviò con successo sei missioni Apollo sulla Luna tra il luglio 1969 e il dicembre 1972. L’Unione Sovietica dal canto suo, sviluppò un razzo lunare chiamato N-1, ma il suo programma venne definitivamente sospeso dopo numerosi ritardi e problemi.
Negli anni settanta, gli USA abbandonarono i viaggi verso la Luna e si concentrarono alla realizzazione della prima stazione spaziale orbitante chiamata Skylab, derivata dalle tecnologie Apollo.
Negli anni settanta iniziò la progettazione di un veicolo spaziale rivoluzionario, lo Space Shuttle, che volò per la prima volta nel 1981. Il programma Space Shuttle ricorse per la prima volta a razzi a combustibile solido per generare la spinta necessaria.
Questi razzi, a differenza di quelli a combustibile liquido, una volta accesi non possono essere spenti e bruciano le miscele al loro interno fino all’esaurimento. Lo Space Shuttle disponeva di tre motori alimentati dall’idrogeno e dall’ossigeno liquido e due “booster” agganciati ai lati del serbatoio.
Il programma Shuttle cessò dopo alterne vicende, nel 1986, l’O-ring di un booster solido si ruppe e causò un’esplosione catastrofica, uccidendo i sette astronauti a bordo della navetta spaziale Challenger. I booster furono riprogettati dopo l’incidente. Nel 2001 un’altro incidente coinvolse una seconda navetta, lo Shuttle Columbia che si disintegrò durante la delicata fase del rientro.
Con alterne fortune i razzi sono stati utilizzati per inviare veicoli spaziali nel nostro sistema solare: oltre la Luna, Venere e Marte nei primi anni ’60, in seguito hanno portato diversi veicoli spaziali nei luoghi più remoti del sistema solare, fino a Plutone, raggiunto nel 2015.
Grazie a razzi potenti e avanzati, il veicolo spaziale Voyager 1 è stato in grado di lasciare il nostro sistema solare e raggiungere lo spazio interstellare. Molte aziende in molti paesi oggi producono missili propulsi da razzi, gli Stati Uniti, l’India, l’Europa e la Russia, solo per citarne alcuni, e inviano abitualmente carichi utili militari e civili nell’orbita terrestre o nello spazio profondo.
Scienziati e ingegneri lavorano assiduamente allo sviluppo di sistemi ancora più sofisticati. Oggi vengono lanciati satelliti usando aerei civili che trasportano sistemi a razzo nella stratosfera. SpaceX e Blue Origin hanno puntato su razzi riutilizzabili; In futuro i razzi diventeranno sempre più potenti grazie a nuovi materiali e ai progressi dell’elettronica e dell’intelligenza artificiale.
Pur utilizzando combustibili diversi come l’idrogeno, il cherosene o il metano il loro principio di funzionamento non cambia, anche se oggi si studiano sistemi di propulsione più avanzati e più efficienti che consentiranno nei prossimi 50 anni di portare gli esseri umani su Marte e nello spazio profondo.