La propulsione spaziale – sparare razzi in orbita

Come funziona la propulsione spaziale? Perché si usa ancora la propulsione chimica?

la propulsione spaziale
Il razzo Vega in decollo, copyright: ESA–S. Corvaja, 2015

Come funziona la propulsione spaziale?

Anche se un veicolo spaziale non si può muovere come un veicolo terrestre o acquatico, in realtà, il sistema di movimento non è così diverso.

Prendiamo un’auto, questa, per muoversi, ha un motore attaccato alle ruote. La cosa che, però, effettivamente fa muovere l’auto è la forza impressa dalla ruota sul terreno, il quale risponde spingendo in avanti la macchina. Questo è lo stesso modo in cui ci muoviamo anche noi esseri umani, quando camminiamo.

Il veicolo spaziale, però, non è collegato a una superficie. Quindi, pur usando il principio di azione e reazione formulato da Newton, quello che spinge in avanti il veicolo è il fluido che esce dall’ugello.

L’ugello non è altro che un condotto sagomato per scambiare l’energia interna di un fluido in velocità, dopo essere stato accelerato.

Essendo una massa dotata di accelerazione, genererà una forza, che è appunto quella che spinge in avanti il veicolo, permettendogli di muoversi.

Da questo, si sviluppano diversi modi per accelerare il fluido, a seconda delle esigenze. Per uscire dall’atmosfera, si usa la cosiddetta propulsione chimica, perché il fluido passa attraverso reazioni chimiche che aumentano la temperatura e la pressione, per avere l’energia interna necessaria per accelerare il fluido e di conseguenza il veicolo spaziale.

Come tutti sappiamo, per uscire dall’atmosfera si ha quel piccolo ostacolo che è la forza di gravità.

Per uscire dalle grinfie della suddetta forza, ci vuole una velocità di circa 11km/s (questo parametro viene chiamato velocità di fuga) e l’unico modo, allo stato attuale della tecnologia, è di usare la propulsione chimica o la propulsione nucleare. Questo perché, pur non essendo le più efficienti, sono le più potenti per forza generata in relazione al proprio peso; gli altri modi di propulsione, quale ad esempio la propulsione elettrica, vengono usati per i movimenti orbitali o per i movimenti esterni all’atmosfera, perché sono molto più efficienti, ma meno potenti (non si potrebbero mai utilizzare per far sollevare da terra un razzo).

La propulsione nucleare non viene utilizzata, anche se perfettamente in grado di far sollevare un vettore come per esempio il Saturn V, per quello che è successo qualche mese fa in Russia, quando un missile a propulsione nucleare ha avuto malfunzionamenti (si può leggere qui).

Soyuz VS03 in decollo copyright:
ESA–S. Corvaja, 2012

La propulsione chimica

Parlando più precisamente di propulsione chimica, in realtà non c’è molta differenza con un aereo o con la propulsione dell’auto di tutti i giorni. La grande differenza è che non si può portare solo il carburante in un viaggio spaziale, perché senza ossigeno, in realtà, non succede nulla.

Quindi, bisognerà portare sia il combustibile (perché i carburanti in realtà sono un tipo di combustibile facilmente vaporizzabile) e l’ossidante, così da avere la fiamma, perché in realtà la reazione chimica usata è l’ossidoriduzione, o per chi non è chimico, si brucia il combustibile attraverso l’ossidante.

Il punto più interessante è che si può usare più o meno quello che si vuole per questa reazione:

Ossigeno e idrogeno, idrazina (da sola o con il tetrossido di azoto, non più utilizzata perché uno dei composti più tossici su cui si possano mettere le mani), oppure ossigeno e cherosene.

In alcuni casi, quali ad esempio i modellini di razzi, si può utilizzare il cosiddetto “Rocket candy” dall’inglese “razzo caramella”, perché si possono usare zuccheri (di qualsiasi tipo, solitamente il sorbitolo) uniti ad un ossidante, che di solito è il nitrato di potassio, è molto più facilmente maneggiabile dell’ossigeno liquido e si trova comunemente nei fertilizzanti.

(Non comprate tanto fertilizzante, se non volete la Digos che vi aspetta a casa)

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Due operatori riforniscono un satellite di idrazina, Copyright: ESA-CNES-Arianespace / Optique Vidéo du CSG – P. Baudon

Se vi ricordate qualsiasi lancio spaziale, non più di un minuto dopo il decollo alcune parti del razzo si staccano dal resto e ricadono per terra. Questo è legato a quanto detto prima, sulla velocità da raggiungere per uscire dall’attrazione gravitazionale. Come abbiamo detto, la forza è semplicemente massa per accelerazione. Ora, la massa di combustibile diminuisce durante la progressione del volo del razzo, però ci si ritrova con del peso “inutile” da dover accelerare alla velocità di fuga, al costo di altro carburante.

Uno scienziato russo di inizio 900, tale Tsiolkovsky (che nella sua vita non vide mai volare un razzo) fu il primo a calcolare un’equazione (in realtà nulla di matematicamente troppo avanzato) e di applicarlo a un possibile viaggio nello spazio, e a lui si deve la scoperta della necessità di abbandonare il più possibile i pesi inutili, e quindi da quello la necessità di dividere i razzi in stadi (così si chiamano quelle parti che si staccano).

Questa necessità deriva dal fatto che la massa di combustibile necessario a far arrivare il veicolo alla velocità di fuga aumenta con l’aumento del peso del velivolo, come si può immaginare, quindi si crea (tenendo un singolo stadio) un circolo vizioso di dover aumentare il peso perché è aumentato il peso di carburante al decollo (che è il momento più critico per la messa in orbita di un razzo). Quindi, per evitare di entrare in questo circolo vizioso, si taglia quanto è inutile, per diminuire sempre di più il peso e di conseguenza il bisogno di altro peso, in una sorta di rasoio di Ockham molto fisico.

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Un cilindro di sorbitolo pronto per essere usato in un razzo- il cosiddetto “rocket candy” Copyright di Suvorov

Conclusioni

La prossima volta che guarderete il lancio di un razzo, saprete il motivo per alcune complicazioni a prima vista inutili di questi razzi. Oltretutto, come si possono descrivere molti parametri diversi con delle equazioni, anche molto semplici.

Alessandro Mantani

Sono studente di ingegneria aerospaziale full time, e altrettanto full time posso perdermi a parlare di tutto lo scibile umano, con una predilezione per i mezzi veloci o che hanno un grosso motore, per arrivare fino a cose che non c'entrano granché, come la filosofia o la letteratura.

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