Come funzionano i razzi, ovvero i propulsori che lanciano nello spazio satelliti, sonde e navette?
Un motore a razzo, che può essere suddiviso in diverse tipologie, funziona attraverso un principio molto semplice, il principio di azione e reazione.
Un motore a combustione interna, quello in uso nelle comuni automobili, utilizza una miscela di aria e benzina che una volta incendiata produce un gas che si espande in una camera di combustione, costringendo un pistone a scorrere verso il basso. Il movimento del pistone viene trasferito a un albero a gomiti che attraverso vari meccanismi trasferisce il movimento alle ruote.
L’energia contenuta nella miscela aria benzina viene trasformata in energia meccanica.
I motori dei razzi hanno un funzionamento simile, con una differenza: igas non colpiscono un pistone ma vengono eiettati ad alta velocità da un ugello a campana. La rapida combustione è garantita da due elementi essenziali: Il carburante e un agente ossidante.
Il combustibile rilascia l’energia chimica quando viene incendiato. Questo avviene grazie alla presenza di un ossidante come l’ossigeno, l’acqua ossigenata o un alogeno. Questi ossidanti rubano efficacemente uno o più elettroni dagli atomi che compongono il combustibile con una tale violenza da provocare un’esplosione.
Nei razzi, l’ossidante e il combustibile vengono immessi all’interno di una camera di combustione. Il loro incontro esplosivo crea enormi quantità di gas di scarico ad alta temperatura e ad alta pressione. I gas vengono quindi espulsi dall’ugello a campana posto alla base del motore, generando una spinta.
Il risultato è un perfetto esempio della Terza Legge di Newton: per ogni azione viene prodotta una reazione uguale e contraria.
Quando i gas di scarico vengono forzati verso il basso, il motore e il veicolo spaziale vengono spinti nella direzione opposta, verso l’alto. Più stretto è l’ugello, maggiore è la pressione all’interno della camera, maggiore è la spinta che ne risulta.
Oggi esistono fondamentalmente due tipi di razzi, quelli che bruciano un combustibile solido e quelli che bruciano combustibili liquidi.
Razzi a combustibile solido
Un fuoco d’artificio o un razzo giocattolo è fondamentalmente un razzo a combustibile solido. I più potenti motori a razzo a propellente solido usati fino ad oggi sono quelli che venivano agganciati alle navette spaziali Shuttle della NASA, noti come booster a propellente solido.
Generando circa 11,6 milioni di Newton ciascuno, spingevano la navetta a una velocità sufficiente per consentire ai suoi motori a combustibile liquido di completare il viaggio verso l’orbita. La fonte di carburante per ogni booster è un nucleo solido di polvere di alluminio da 450.000 chilogrammi. L’ossidante è ossigeno derivato dal perclorato di ammonio, combinato con ossido di ferro che funge da catalizzatore.
Il nucleo di alluminio ha un foro, quando avviene l’accensione la parete interna del foro brucia velocemente generando una pressione elevata che si traduce in una spinta. La sezione forata non è in realtà un semplice cerchio, ma ha la forma di una stella a 10 punte. Ciò aumenta la superficie e di conseguenza le spinta. Una volta che tutto il combustibile solido viene bruciato, i booster terminano il loro lavoro e vengono sganciati dalla navetta, e paracadutati sulla terra, dove una volta raccolti, vengono preparati per il riutilizzo. Il tempo trascorso dall’accensione alla separazione è di soli due minuti e il veicolo in quel breve lasso di tempo arriva a 45 km di altezza.
Razzi a combustibile liquido
I motori a combustibile liquido per razzi sono molto più complicati e difficili da realizzare rispetto alle loro controparti a combustibile solido. I carburanti sono immagazzinati sotto forma di gas liquefatto, ad esempio idrogeno liquido, e ossigeno liquido come ossidante, che richiedono serbatoi criogenici speciali per mantenerli a temperature bassissime.
L’ossigeno liquido deve essere mantenuto al di sotto di -183º C, mentre l’idrogeno deve essere ancora più freddo, a -252º C. Ciò significa che i carburanti devono essere maneggiati con cura e che i serbatoi devono essere in grado di resistere a pressioni estreme.
I motori a combustibile liquido per razzi sono composti da quattro parti principali:
- Il serbatoio del carburante, dove sono immagazzinati propellenti come idrogeno liquido, ossigeno o cherosene.
- La turbopompa, che funziona in modo simile ai turbocompressori in un’auto. Forza il carburante ad alta pressione verso la camera di combustione, impedendogli di compiere il percorso inverso a causa della pressione della camera di combustione.
- Valvole di controllo, che regolano il flusso di carburante nella camera, aumentando o diminuendo la spinta.
- La camera di combustione, dove si mescolano e si innescano combustibile e ossidante, e lo scarico risultante viene diretto fuori dall’ugello.
I motori a combustibile liquido presentano notevoli vantaggi rispetto alle loro controparti a combustibile solido. Non solo è possibile controllare la spinta che producono, ma possono anche essere arrestati e riavviati secondo necessità. Questo li rende ideali per i veicoli spaziali che devono fare più accensioni durante i loro voli, per correggere la rotta o per entrare o uscire dall’orbita.
Ma questa flessibilità ha un costo. I motori a combustibile liquido per razzi sono significativamente più complessi e costosi da produrre rispetto alle loro controparti a combustibile solido. Hanno anche bisogno di molto carburante. Completamente rifornito, il serbatoio di carburante liquido standard per le missioni dello space shuttle pesava 760.000 chilogrammi.
Dopo che i motori a combustibile solido terminavano la loro spinta, il grande serbatoio dello Shuttle si svuotava in soli sei minuti, facendo passare la navetta da 4.828 a 27.358 chilometri all’ora, la velocità orbitale. Il grande serbatoio degli Shuttle era a perdere, una volta caduto in mare non veniva riutilizzato.
Fonte: https://cosmosmagazine.com/technology/how-rockets-work/
