Rocket
Caratteristiche generali e principi di funzionamento
Il razzo differisce dal turbogetto e da altri motori “a soffio d’aria” in quanto tutto il getto di scarico consiste nei prodotti della combustione gassosa dei “propellenti” trasportati a bordo. Come il motore a turbogetto, il razzo sviluppa la spinta attraverso l’espulsione all’indietro della massa ad altissima velocità.
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Il principio fisico fondamentale coinvolto nella propulsione dei razzi fu formulato da Sir Isaac Newton. Secondo la sua terza legge del moto, il razzo sperimenta un aumento della quantità di moto proporzionale alla quantità di moto portata via nello scarico,
dove M è la massa del razzo, ΔvR è l’aumento della velocità del razzo in un breve intervallo di tempo, Δt, m° è la velocità di scarico della massa nello scarico, ve è la velocità effettiva dello scarico (quasi uguale alla velocità del getto e presa relativamente al razzo), e F è la forza. La quantità m°ve è la forza propulsiva, o spinta, prodotta sul razzo esaurendo il propellente,
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Evidentemente la spinta può essere resa grande usando un alto tasso di scarico di massa o un’alta velocità di scarico. Impiegando un alto m° si consuma rapidamente la scorta di propellente (o si richiede una grande scorta), e quindi è preferibile cercare alti valori di ve. Il valore di ve è limitato da considerazioni pratiche, determinate da come lo scarico viene accelerato nell’ugello supersonico e quale fornitura di energia è disponibile per il riscaldamento del propellente.
La maggior parte dei razzi trae la propria energia in forma termica dalla combustione di propellenti in fase condensata ad alta pressione. I prodotti gassosi della combustione vengono scaricati attraverso l’ugello che converte la maggior parte dell’energia termica in energia cinetica. La quantità massima di energia disponibile è limitata a quella fornita dalla combustione o da considerazioni pratiche imposte dall’alta temperatura coinvolta. Energie più elevate sono possibili se altre fonti di energia (ad esempio, il riscaldamento elettrico o a microonde) vengono utilizzate insieme ai propellenti chimici a bordo dei razzi, ed energie estremamente elevate sono raggiungibili quando lo scarico viene accelerato con mezzi elettromagnetici.
La velocità effettiva di scarico è la figura di merito per la propulsione a razzo perché è una misura della spinta per unità di massa di propellente consumato – cioè,
Valori di ve sono nell’intervallo 2.000-5.000 metri (6.500-16.400 piedi) al secondo per i propellenti chimici, mentre valori due o tre volte tanto sono dichiarati per i propellenti riscaldati elettricamente. Valori oltre i 40.000 metri (131.000 piedi) al secondo sono previsti per sistemi che utilizzano l’accelerazione elettromagnetica. Nei circoli ingegneristici, in particolare negli Stati Uniti, la velocità effettiva di scarico è ampiamente espressa in unità di secondi, che è indicata come impulso specifico. I valori in secondi si ottengono dividendo le velocità effettive di scarico per il fattore costante 9,81 metri al secondo quadrato (32,2 piedi al secondo quadrato).
In una tipica missione di razzi chimici, ovunque dal 50 al 95% o più della massa di decollo è propellente. Questo può essere messo in prospettiva dall’equazione per la velocità di burnout (assumendo un volo senza gravità e senza resistenza),
In questa espressione, Ms/Mp è il rapporto tra la massa del sistema di propulsione e della struttura e la massa del propellente, con un valore tipico di 0,09 (il simbolo ln rappresenta il logaritmo naturale). Mp/Mo è il rapporto tra la massa del propellente e la massa totale al decollo, con un valore tipico di 0,90. Un valore tipico di ve per un sistema idrogeno-ossigeno è di 3.536 metri (11.601 piedi) al secondo. Dall’equazione di cui sopra, il rapporto tra la massa del carico utile e la massa di decollo (Mpay/Mo) può essere calcolato. Per un’orbita terrestre bassa, vb è circa 7.544 metri (24.751 piedi) al secondo, il che richiederebbe che Mpay/Mo sia 0,0374. In altre parole, ci vorrebbe un sistema di decollo di 1.337.000 kg (2.948.000 libbre) per mettere 50.000 kg (110.000 libbre) in un’orbita bassa intorno alla Terra. Questo è un calcolo ottimistico perché l’equazione (4) non tiene conto dell’effetto della gravità, della resistenza, o delle correzioni direzionali durante l’ascesa, che aumenterebbero notevolmente la massa di decollo. Dall’equazione (4) è evidente che c’è un trade-off diretto tra Ms e Mpay, così che ogni sforzo è fatto per progettare una bassa massa strutturale, e Ms/Mp è una seconda figura di merito per il sistema di propulsione. Mentre i vari rapporti di massa scelti dipendono fortemente dalla missione, i carichi utili dei razzi generalmente rappresentano una piccola parte della massa di decollo.
Una tecnica chiamata multiple staging è usata in molte missioni per minimizzare le dimensioni del veicolo di decollo. Un veicolo di lancio porta un secondo razzo come carico utile, da lanciare dopo il burnout del primo stadio (che viene lasciato indietro). In questo modo, i componenti inerti del primo stadio non vengono portati alla velocità finale, e la spinta del secondo stadio viene applicata più efficacemente al carico utile. La maggior parte dei voli spaziali utilizza almeno due stadi. La strategia è estesa a più stadi nelle missioni che richiedono velocità molto elevate. Le missioni lunari americane Apollo con equipaggio hanno usato un totale di sei stadi.
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Le caratteristiche uniche dei razzi che li rendono utili sono le seguenti:
1. I razzi possono operare sia nello spazio che nell’atmosfera terrestre.
2. Possono essere costruiti per fornire una spinta molto alta (un moderno booster spaziale pesante ha una spinta al decollo di 3.800 kilonewton (850.000 libbre).
3. Il sistema di propulsione può essere relativamente semplice.
4. Il sistema di propulsione può essere tenuto in uno stato pronto al fuoco (importante nei sistemi militari).
5. I piccoli razzi possono essere lanciati da una varietà di piattaforme di lancio, dalle casse da imballaggio ai lanciatori a spalla agli aerei (non c’è rinculo).
Queste caratteristiche spiegano non solo perché tutti i record di velocità e distanza sono stabiliti da sistemi a razzo (aria, terra, spazio) ma anche perché i razzi sono la scelta esclusiva per il volo spaziale. Hanno anche portato a una trasformazione della guerra, sia strategica che tattica. In effetti, l’emergere e il progredire della moderna tecnologia dei razzi può essere ricondotto agli sviluppi delle armi durante e dopo la seconda guerra mondiale, con una parte sostanziale finanziata da iniziative delle “agenzie spaziali” come i programmi Ariane, Apollo e Space Shuttle.