Come funzionano i razzi: Spinta, sistemi di propulsione e meccanica orbitale spiegati

Ogni volta che un razzo decolla — che si tratti di un Falcon 9 con equipaggio, di un lanciatore Ariane europeo o di un piccolo razzo per l'osservazione della Terra — applica gli stessi principi fisici di base che gli ingegneri utilizzano dall'inizio del XX secolo. L'interesse pubblico per questi lanci rimane alto tutto l'anno, eppure i meccanismi sottostanti della spinta, della propulsione e dell'orbita sono spesso tralasciati. Agenzie tra cui la NASA e l'Agenzia Spaziale Europea (ESA) pubblicano spiegazioni dettagliate su come i razzi effettivamente funzionano; questo articolo si basa su tale materiale.

Produzione di spinta: la terza legge del moto di Newton in azione

Secondo il Glenn Research Center della NASA, un motore a razzo brucia il carburante immagazzinato insieme a un ossidante immagazzinato dentro una camera di combustione, producendo gas di scarico caldo e ad alta pressione. Quel gas viene quindi forzato attraverso un ugello, che lo accelera ulteriormente prima che lasci il veicolo. La NASA afferma chiaramente che "la spinta viene prodotta secondo la terza legge del moto di Newton": il gas viene spinto in una direzione fuori dall'ugello, e il razzo viene spinto nella direzione opposta con forza uguale. L'ESA descrive lo stesso meccanismo per i lettori più giovani usando un'analogia con il palloncino — l'aria che esce dal collo di un palloncino in una direzione spinge il palloncino nell'altra direzione.

L'equazione di spinta della NASA esprime questo numericamente come F = ṁVe + Ae(pe − p0), dove ṁ è la portata massica dello scarico attraverso il motore, Ve è la velocità di uscita dello scarico, Ae è l'area di uscita dell'ugello, pe è la pressione all'uscita dell'ugello e p0 è la pressione circostante (flusso libero). In pratica, la quantità di spinta che un razzo produce dipende principalmente da quanta massa di scarico esce al secondo e da quanto velocemente quello scarico si muove quando esce dall'ugello.

Perché i razzi funzionano nel vuoto dello spazio

I motori a reazione e le eliche dipendono dal risucchio dell'aria circostante, il che significa che non possono funzionare una volta che un veicolo lascia l'atmosfera. I razzi evitano questa limitazione perché, come nota la NASA, portano il loro proprio ossidante a bordo piuttosto che fare affidamento sull'ossigeno atmosferico. Poiché non c'è aria esterna coinvolta nella reazione affatto, l'equazione di spinta non ha un termine "presa d'aria a flusso libero" — che è anche il motivo per cui, secondo la NASA, un razzo può generare spinta nel vuoto dove non c'è altra fonte di ossigeno.

Impulso specifico: misurazione dell'efficienza del motore

Gli ingegneri confrontano i motori a razzo utilizzando una figura chiamata impulso specifico, o Isp. Il Glenn Research Center della NASA lo definisce come la spinta divisa per la portata di peso del propellente consumato, espressa attraverso la formula Isp = F/(ṁ·g0), dove g0 è l'accelerazione gravitazionale standard (9,8 m/s², o 32,2 ft/s²). La NASA spiega che un motore con un impulso specifico più elevato è più efficiente perché produce più spinta per la stessa quantità di propellente bruciato — rendendo Isp l'equivalente della propulsione a razzo dell'economia di carburante.

Razzi a più stadi: eliminare il peso morto

La maggior parte dei veicoli di lancio sono costruiti in due o tre stadi. L'ESA spiega che una volta che uno stadio ha bruciato tutto il suo propellente, viene separato e scartato, perché trasportare un serbatoio vuoto e l'hardware del motore esausto più lontano sprecerebbe carburante necessario per accelerare il resto del veicolo. I grandi lanciatori collegano anche razzi booster con carburante solido o liquido al primo stadio per una spinta extra al decollo; anche questi booster vengono gettati via una volta esausti. L'ESA nota che gli spacecraft devono raggiungere circa 28.000 km/h per entrare in orbita, una velocità che lo staging aiuta a raggiungere alleggerendo continuamente il veicolo mentre sale.

Propulsione chimica vs. propulsione elettrica

Non ogni sistema di propulsione è progettato per lanciare un veicolo da terra. I motori chimici — bruciando un carburante e un ossidante insieme, come descritto sopra — rimangono l'unico modo pratico per sollevare un razzo dall'atmosfera terrestre. Per manovrare una volta già nello spazio, tuttavia, le agenzie utilizzano sempre più frequentemente la propulsione elettrica. La NASA descrive sistemi che utilizzano l'elettricità, generata da pannelli solari o da un reattore nucleare, per ionizzare un gas come lo xenon o il cripton e accelerare gli ioni risultanti fuori da un propulsore utilizzando campi elettrici e magnetici.

La missione Dawn della NASA illustra il compromesso: ha utilizzato la propulsione elettrica per impiegare circa cinque anni per raggiungere la fascia di asteroidi prima di manovrare tra i corpi Vesta e Cerere — un'accelerazione lenta e costante impossibile da ottenere con le brevi e potenti accensioni dei motori chimici, ma efficiente nelle lunghe missioni. L'ESA fa lo stesso punto sulla sua sonda lunare SMART-1 e sulla missione in corso BepiColombo su Mercurio, entrambe si affidano a motori ionici che, secondo l'ESA, "possono continuare a spingere dolcemente per mesi o anche anni" utilizzando solo una piccola fornitura di propellente e pochi kilowatt di energia dai pannelli solari.

Raggiungimento e permanenza in orbita

Arrivare nello spazio e restarvi sono due problemi diversi. La National Oceanic and Atmospheric Administration statunitense (NOAA) spiega che un satellite rimane in orbita quando il suo momento avanti è in equilibrio con la forza di gravità della Terra: la gravità continua a piegare il percorso del satellite verso la Terra, mentre la sua velocità laterale continua a trasportarlo avanti, quindi i due effetti si combinano in un percorso circolare o ellittico piuttosto che una caduta dritta. Se un satellite si muove troppo lentamente per la sua altitudine, la gravità domina e scende; se si muove troppo velocemente, esce da quel percorso equilibrato invece di mantenere la sua orbita.

La velocità necessaria per quell'equilibrio cambia con l'altitudine. La NOAA fornisce l'esempio del suo satellite NOAA-20, che orbita a poche centinaia di miglia di altezza a circa 17.000 mph, rispetto al suo satellite GOES-East, che orbita a circa 22.000 miglia di altezza a soli circa 6.700 mph — illustrando che quanto più lontano un satellite si trova dalla Terra, più debole è l'attrazione della gravità e più bassa è la velocità richiesta per rimanere in orbita. Il catalogo Earth Observatory della NASA fornisce cifre concrete per le classi orbitali comuni: il suo satellite Aqua impiega circa 99 minuti per circondare la Terra da circa 705 chilometri di altezza (orbita terrestre bassa); i satelliti GPS volano in un'orbita terrestre media semi-sincrona di circa 20.200 chilometri sopra la superficie con un periodo di 12 ore; e i satelliti geostazionari si trovano a circa 36.000 chilometri di altezza, completando un'orbita ogni 23 ore, 56 minuti e 4 secondi in modo che appaiano fissi su un punto sulla Terra.