Come funzionano i razzi: sistemi di propulsione e tecnologia di lancio spiegati

Ogni lancio orbitale, dal Falcon 9 che solleva un equipaggio ai voli di prova di Starship, si affida alla stessa fisica di base descritta per la prima volta da Isaac Newton: per ogni azione c'è una reazione uguale e opposta. Un motore a razzo brucia propellente e espelle il gas caldo risultante da un ugello ad alta velocità; il gas spinge il razzo nella direzione opposta. Secondo il Glenn Research Center della NASA, questa coppia di azione-reazione esiste tra il razzo e il suo stesso scarico, motivo per cui i razzi funzionano nel vuoto dello spazio e non hanno bisogno di aria o di qualsiasi altro mezzo per spingere contro.

La fisica: spinta e impulso specifico

Gli ingegneri descrivono le prestazioni di un motore con due numeri: spinta e impulso specifico. La spinta è la forza prodotta, guidata principalmente da quanto massa scorre dall'ugello e da quanto velocemente esce. L'impulso specifico (Isp), misurato in secondi, descrive l'efficienza con cui un motore converte il propellente in spinta – il Glenn Research Center della NASA lo definisce come spinta divisa per la portata massica del propellente, quindi un motore con un Isp più elevato produce più spinta dalla stessa quantità di propellente, o ha bisogno di meno propellente per la stessa spinta.

Questa singola cifra consente agli ingegneri di dimensionare un motore e confrontare sistemi di propulsione molto diversi su basi uguali, motivo per cui Isp appare costantemente nei fogli di specifiche dei razzi.

Propulsione chimica: liquida, solida e ibrida

Quasi tutti i veicoli che lasciano la superficie terrestre utilizzano propulsione chimica, in cui un combustibile e un ossidante reagiscono per produrre gas caldo e in espansione. Ci sono tre configurazioni principali. I motori a propellente liquido immagazzinano combustibile e ossidante separatamente e li pompano in una camera di combustione, il che consente al motore di essere modulato, spento e riavviato – una flessibilità utilizzata sia dai fornitori di servizi di lancio governativi che commerciali. I motori a propellente solido mescolano il combustibile e l'ossidante in un singolo grano solido confezionato nel corpo del razzo; sono strutturalmente semplici ed economici, ma una volta accesi, bruciano finché il propellente non è esaurito. I sistemi ibridi combinano un combustibile solido con un ossidante liquido o gassoso, stando a metà tra i due approcci.

Il motore Raptor di SpaceX, utilizzato sui veicoli Starship e Super Heavy, illustra un approccio più recente all'interno della propulsione liquida: un design 'a combustione in stadi a flusso completo' in cui tutto il combustibile e tutto l'ossidante passano attraverso due prebruciatori separati prima di raggiungere la camera di combustione principale, secondo il sito di settore aerospaziale Everyday Astronaut. Raptor brucia metano liquido con ossigeno liquido – una combinazione che SpaceX ha scelto in parte perché il metano brucia senza lasciare i depositi di fuliggine che complicano il riutilizzo dei motori alimentati a cherosene, e in parte perché il metano potrebbe, in linea di principio, essere fabbricato su Marte dalle risorse locali. Il sito riferisce che Raptor produce circa 2 meganewton di spinta con un impulso specifico nel vuoto di circa 330-350 secondi.

Perché i veicoli di lancio sono costruiti in stadi

Raggiungere l'orbita dalla superficie terrestre richiede di raggiungere un'altitudine superiore a circa 150 chilometri mentre si viaggia a più di 7,9 chilometri al secondo, secondo la guida dei lanciatori dell'Agenzia spaziale europea. Un singolo design di motore raramente lo fa in modo efficiente durante l'intero volo, quindi la maggior parte dei razzi orbitali sono divisi in stadi che vengono scartati una volta che il loro propellente è esaurito, perdendo peso morto in modo che i restanti stadi accelerino il veicolo più leggero più facilmente.

La descrizione dell'ESA di un volo tipico della classe Ariane mostra come funziona in pratica: i booster e lo stadio principale si accendono insieme durante i primi circa due minuti di ascesa verticale, lo stadio principale continua a bruciare per circa dodici minuti mentre i booster si sono già separati e caduti nel mare vicino a 60 chilometri di altitudine, e uno stadio superiore si accende quindi per un periodo finale, raggiungendo la velocità di picco della missione di circa 8 chilometri al secondo prima di rilasciare il suo carico utile. Dopo che uno stadio superiore esaurito ha completato il suo lavoro, viene generalmente spostato in un 'orbita cimiteriale' in modo che non diventi un pericolo di collisione per i satelliti attivi.

Oltre il lancio: propulsione elettrica e ionica

Una volta che un veicolo spaziale è già in orbita o nello spazio profondo, la propulsione chimica non è sempre la scelta più efficiente per i lunghi viaggi. Molte sonde utilizzano invece propulsione elettrica, che ionizza un propellente – solitamente il gas xenon – e accelera le particelle cariche risultanti fuori dal propulsore utilizzando campi elettrici alimentati da pannelli solari. La Jet Propulsion Laboratory della NASA descrive la spinta di questi sistemi come estremamente delicata: nel caso della missione della fascia degli asteroidi Psyche, la pressione prodotta dai suoi propulsori ionici è paragonabile a tenere tre quarti in mano, anche a piena potenza.

Questa minuscola spinta non è sufficiente per sollevare nulla dalla Terra, ma nell'ambiente senza attrito dello spazio può essere applicata continuamente per mesi, costruendo lentamente la velocità. La JPL riferisce che i propulsori solari-elettrici di Psyche hanno già spinto il veicolo spaziale a circa 84.000 miglia all'ora e lo porteranno eventualmente a circa 124.000 miglia all'ora – illustrando perché la propulsione ionica è riservata al transito nello spazio piuttosto che al lancio, dove i motori chimici con spinta molto più elevata sono necessari per superare la gravità e la resistenza dell'atmosfera in pochi minuti.