Curiosità Hi-Tech: come funziona un razzo aerospaziale

08 Agosto 2020 119

Le compagnie private impegnate nell'industria aerospaziale, come SpaceX e Virgin Galactic per citare due tra le maggiori, non solo hanno portato un contributo concreto e importante nell'elevare le tecnologie a disposizione ad un livello superiore, ma negli ultimi anni hanno convinto un sempre maggior numero di persone a interessarsi all'argomento.

E' vero, gli appassionati del segmento aerospaziale sono sempre esistiti, ma la componente "spettacolo" introdotta dal crescente numero di live streaming è innegabile. Così, se inizialmente l'interesse risultava focalizzato verso i soli "main event", sempre più persone attendono l'avvio di missioni secondarie per seguirle in diretta. Alla fonte di questo fortissimo hype, che attornia pure le missioni minori, senza ombra di dubbio c'è stato un forte contributo di Elon Musk.

Pensiamo ad esempio alla prima missione di lancio del Falcon Heavy di due anni fa, una delle live streaming più seguite di sempre, che ha sicuramente contribuito ad ampliare l'utenza interessata.Tutti pazzi per le missioni spaziali! O quantomeno, sempre più persone si interessano all'argomento e seguono con curiosità le pagine social delle principali agenzie, con il preciso obiettivo di restare il più possibile aggiornati e non perdere gli appuntamenti live. Seguire il lancio di un razzo orbitale è "addictive", ma quanti sanno realmente come funziona tecnicamente? Proviamo a spiegarlo in modo semplice in questo piccolo approfondimento.

COS'E' UN RAZZO VETTORE

Prima di rispondere cominciamo con una piccola curiosità: lo sapevate che i primi razzi noti sono stati inventati in Cina nel 1200? Inizialmente usati come fuochi d'artificio, nei secoli successivi vennero impiegati nel settore bellico e più di recente nel segmento aerospaziale, che è ciò che ci interessa di più.

Il motore a razzo si basa sul principio di azione e reazione, dove la spinta creata dai motori è in grado di superare il peso del razzo e vincere la forza di gravità. Vista l'assenza pressoché totale di attriti meccanici (pensiamo a casi opposti, come il motore di una macchina), la propulsione a razzo vanta un'efficienza altissima. Il comburente (ossidante della combustione) più noto è l'ossigeno, ma molte altre sostanze in natura possono comportarsi come tali (nitriti, nitrati, perossidi tra questi). Se per i motori a reazione l'ossigeno atmosferico è sufficiente come comburente, nei razzi impiegati per i viaggi spaziali il discorso cambia. Non potendo contare sull'atmosfera terrestre, il comburente viene aggiunto e miscelato con il combustibile dando origine a due varianti, i motori a razzo a combustibile liquido e quelli a combustibile solido.

Quelli a combustibile liquido si basano solitamente sull'ossigeno liquido come comburente e su una sostanza combustibile, solitamente il cherosene RP-1. Qui il comburente e il combustibile vengono mantenuti separati fino all'ingresso nella camera di combustione. Pensiamo ad esempio all'Atlas V, uno dei lanciatori più potenti a disposizione della NASA, recentemente impiegato per l'invio del nuovo rover Perseverance con la missione Mars 2020. Nella configurazione base, Atlas V è composto da un primo stadio a cherosene e ossigeno liquido, mentre lo stadio superiore è alimentato da idrogeno liquido e ossigeno liquido. Per quanto riguarda i razzi a combustibile solido, invece, la sostanza utilizzata vede miscelati a monte entrambi i componenti. Casi celebri di razzi alimentati in questa modalità sono il Solid Rocket Booster (utilizzato con lo Space Shuttle) o i razzi Ariane V.

Quando si parla di razzi per l'utilizzo in ambito aerospaziale si dovrebbe correttamente parlare di razzi vettore, o lanciatori. Come spiegato poco sopra, razzi di questo genere utilizzano comburenti autonomi al posto dell'aria, in questo modo si riesce a ottenere la spinta necessaria allo spostamento di payload pesanti. Va detto, però, che per i lanciatori satellitari su larga scala il peso utile di carico è sempre una piccola parte rispetto al totale, che è primariamente rappresentato dal peso dei propellenti.

STADI DI UN RAZZO

Un razzo è solitamente dotato di uno o più motori, o stadi, ognuno con il suo compito specifico. La conformazione di un razzo a più stadi è di due tipologie distinte, seriale o in parallelo.

La configurazione seriale è quella utilizzata ad esempio dal Falcon 9, dove il secondo stadio è posto sopra al primo e ospita in cima il carico utile. Anche i potenti Saturn V della NASA mostravano una disposizione seriale, ma in questo caso si parla addirittura di 3 stadi.

Lo stadio primario è il primo motore ad avviarsi, è quello che fornisce la spinta iniziale per far staccare da terra il razzo. Visto l'incredibile dispendio energetico che tale operazione comporta, solitamente il primo stadio è sempre quello dotato di maggior potenza. La sua spinta continua fino all'esaurimento del carburante, una volta che questo termina lo stadio si separa e, se possibile, si tenta il ritorno a terra sfruttando ii paracadute per rallentarlo.

Apriamo una piccola parentesi per i nuovi lanciatori riutilizzabili, come il Falcon 9, che mantengono una parte del carburante per il ritorno a terra. Nel caso specifico, la discesa viene rallentata attraverso 4 ali aerodinamiche in titanio. Successivamente, i motori vengono riaccesi e, se tutto fila liscio, lo stadio primario riesce ad atterrare in piedi nel sito scelto. A questo proposito, sappiamo che SpaceX si affida alle Landing Zone 1 e 2 alla Cape Canaveral Air Force Station, alla Landing Zone 3 alla Vandenberg Air Force Base, o alle piattaforme galleggianti nel caso la discesa avvenga nell'oceano.

A sx il Saturn V in seriale, a dx lo space Shuttle con stadi in parallelo

Nella configurazione in parallelo, diversi stadi sono fissati su un razzo centrale. Qui la sequenza di avvio è leggermente diversa: al momento del lancio, infatti, tutti i motori vengono accesi. Quando il propellente si esaurisce nei razzi ausiliari, questi vengono sganciati e il motore principale continua a spingere fino a che non si raggiunge l'orbita o l'altezza desiderata.

Celebre la stadiazione parallela che spinse lo Space Shuttle, mentre in tempi più recenti vale la pena menzionare quella del Falcon Heavy di SpaceX.

PERCHE' I RAZZI CURVANO IN RISALITA?

Molti si saranno chiesti perché i razzi inizialmente affrontano la fase di risalita con un'accelerazione verticale, alla quale segue una traiettoria inclinata con un angolo variabile, un argomento che ha scatenato detrattori e sostenitori di teorie complottiste. In realtà, la fisica offre tutte le risposte. Senza scendere in argomentazioni complesse e poco fruibili, spieghiamo il perché di questa manovra.

In fase di lancio tutti i razzi affrontano una fase di salita in verticale, questa permette di guadagnare altitudine rapidamente e di aumentare la velocità. Durante questa parte del lancio, la gravità agisce direttamente contro la spinta del razzo, riducendo la sua accelerazione verticale. Le perdite di efficienza associate a questo rallentamento possono essere ridotte al minimo eseguendo la manovra di pitchover. In tale fase, il razzo dirige parte della spinta su un lato, causando un'inclinazione della traiettoria. A seconda dell'inerzia e degli obiettivi da raggiungere, l'inclinazione può variare da pochi gradi ad alcune decine. Una volta che il pitchover è completo e l'inclinazione raggiunta, i motori vengono reimpostati e il razzo riprende a spingere lungo l'asse. La manovra di pitchover ha due scopi, il primo è posizionare il razzo sulla direzione corretta per la sua ascesa in orbita, il secondo è farlo con il minor dispendio energetico possibile. Dopo il pitchover, infatti, l'angolo di attacco del razzo viene azzerato per il resto della sua salita in orbita, l'effetto si traduce in una notevole riduzione dei carichi aerodinamici laterali.

E' importante ricordare anche un altro aspetto, il raggiungimento di un'orbita richiede anche una velocità adeguata per il suo mantenimento. Questa varia a seconda dell'altezza e la manovra di pitchover facilita notevolmente la riuscita di tale fase.

E UNA VOLTA IN ORBITA?

Siamo alla fine di questa breve guida al funzionamento dei razzi impiegati in ambito aerospaziale. Abbiamo visto come avviene il lancio, ci siamo addentrati nella struttura di un razzo, approfondito i propellenti usati e abbiamo descritto la manovra di entrata in orbita. Ma per quanto riguarda le fasi successive?

Qui entra in gioco ciò che viene chiamato Reaction Control System (RCS), ossia quel sistema di propulsori che un veicolo spaziale utilizza per il controllo della posizione e del movimento in tutte le direzioni. Esistono diversi sistemi RCS, l'obiettivo è riuscire a fornire spinte di qualsiasi entità, sia minime che maggiormente propulsive, al veicolo spaziale. L'intervento di un sistema RCS permette di mantenere l'orbita impostata, consente di eseguire manovre di attracco (come quelle alla ISS), ma anche di controllare l'orientamento del mezzo. In casi estremi, rappresenta pure una soluzione di backup per uscire da un'orbita, nel caso i motori principali non possano operare. Per alcuni razzi il suo utilizzo avviene anche in fase di rientro atmosferico, con l'obiettivo di mantenere un corretto orientamento in fase di discesa. I sistemi RCS sono di comune utilizzo su razzi, sonde e satelliti.

Chiudiamo con una curiosità: la Stazione Spaziale Internazionale utilizza giroscopi a controllo elettrico (CMG) per il controllo dell'assetto primario, mentre la propulsione RCS viene utilizzata come sistema di backup e potenziamento.

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Commenti

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MatitaNera

Emozioni sincere

Carlo Gamna

La Nasa è nota per farsi travolgere dalle emozioni

Azimuth

Può darsi. Penso che il vero limite dello Shuttle fosse che non potesse fisicamente fare rientro da orbite che non fossero basse come rientrare da un'orbita lunare.
Su questo credo non si potesse lavorare.

Azimuth

Se hai bisogno di 2 sistemi diversi per un ambiente con atmosfera e senza allora è meglio averne solo 1 che funziona in tutte le condizioni. Il razzetto che funzia co. Arietta e senza arietta.

MatitaNera

Ci si poteva lavorare

Marco Lanciotti

https://uploads.disquscdn.c...

DjMarvel

Io parlo di tutta la fasetta che parte dalla rampettina di lancio fino alla fine dell'atmsoferina.

Azimuth

Bello, costosissimo e senza un launch escape system.

Azimuth

si ma più su l'arietta è troppo poca e si usa un altro sistema che funziona con l'arietta e senza arietta. Si chiama razzetto.

DjMarvel

Sulla rampa di lancio non c'è l'arietta?

Azimuth

Per le alette serve l'arietta!

Francesco Renato

Per entrare in... orbita ci vuole il buon vecchio cherosene, altro che elettricità.

DjMarvel

la traiettoria si regola solo con la spinta dei razzi? o esistono delle piccole alette per questo scopo?

MatitaNera

È stata travolta dalla reazione.

Carlo Gamna

La Nasa la pensa diversamente

MatitaNera

Mai sentito

MatitaNera

Ma quale comprensione del settore. Ah ah ah. Il 99% è fuffa per passare il tempo.

MatitaNera

Niente di irrimediabile

LaVeraVerità

Commenti del razzo, d'altronde...

Ma vacci tu a vivere in una cabina per il resto della tua vita su marte

Dea1993

kerbal space program ha la risposta a tutto :D
sara' pure un "giochino", ma e' fatto davvero bene

sailand

No, rimangono validi i calcoli empirici in situazioni semplificate e piccole ma i concetti che sono dietro quei calcoli sono sbagliati come principi pur se i risultati sono “esatti”.
Un esempio pratico: la caduta per gravità di un corpo su un pianeta a brevi distanze appare esatta con le formule newtoniane solo perché il risultato tenendo presenti i concetti di Einstein su piccola scala porta a variazioni infinitesimali non apprezzabili matematicamente.
Ecco perché le formule newtoniane approssimano il vero risultato in modo identico in apparenza ma in realtà solo quasi identico con un errore non apprezzabile sulle piccole grandezze. In pratica funzionano ma in teoria sono sbagliate.
Poi ci sono cose che cozzano irrimediabilmente con la relatività e certi suoi cardini inviolabili. Lo stesso Einstein se ne rese conto introducendo La costante cosmologica (che poi ripudiò) che altro non è che un artifizio matematico per far corrispondere le formule alla sua visione e per negare ciò che invece si è scoperto essere vero ma proprio in modo opposto alla sua visione pur se salvando le sue formule.
Ancora una volta è più importante l’applicabilità della formula o la visione concettuale complessiva?
Evoluzione dei calcoli o rivoluzione dei concetti? Per me sono vere e proprie rivoluzioni.

Aster

O aprire un libro!

Gupi

BastAva fare un link alla pagina di Wikipedia

scopp

Imprecisione:
"Pensiamo ad esempio all'Atlas V, il lanciatore più potente a disposizione della NASA"

In realtà il lanciatore più potente è il Delta IV, sempre della ULA. Se invece mettiamo dentro i razzi della SpaceX (che sono comunque a disposizione della NASA), l'Atlas V scivola in 3-4 posizione (dipendentemente dal tipo di missione).

italba

Assolutamente sì, la "gravità newtoniana" rimane assolutamente valida in tutti i casi, Einstein ha dimostrato che uno dei parametri che si adopera per calcolarla, la massa, non rimane costante ma dipende dall'energia. Si tratta di una correzione da applicare quando serve, alle basse energie la variazione di massa è minima, non si rinnega proprio niente.

sailand

Assolutamente no! Einstein ha rivoluzionato il concetto di gravità newtoniana dimostrando che era sbagliata. Difatti solo con la relatività si riesce a calcolare esattamente la precessione del perielio. La fisica quantistica mette in discussione alla base la relatività ad esempio con l’entanglement.
Il fatto che la gravità newtoniana e la relatività in alcuni casi diano risultati esatti (o apparentemente tali) a determinati livelli di (Im)precisione non vuol dire non possano essere rivoluzionate.
Non abbiamo ancora neanche compreso tutte le forze basilari della fisica ne tutte le forme della materia.

E bravi, dopo la markettata un articolo interessante!
Ah, cattivoni.

Pablo Escodalbar

Niente male! :D

Pablo Escodalbar

Ahahahah capita :D

Pablo Escodalbar

In giro qualche pazzo c'e'.

fabio

piccola nota: i 4 grid fins in titanio dei falcon non servono a rallentare, ma solo ad orientare. non offrono nessuna resistenza bensì deviano il flusso d'aria che gli passa attraverso e in questo modo generano una sorta di leva sul razzo

italba

Senza la metà dei suoi pezzi, compresa qualche piastrella che di staccava

italba

Einstein, fisici quantistici ecc. ecc. estendono le leggi precedenti, che restano perfettamente valide nel loro sistema di riferimento, non le contraddicono

italba

Chiunque abbia un grammo di cervello funzionante

Andhaka

Come no... Usiamo ancora le macchine con quattro ruote e un motore a combustione interna.. Degradante che dalla Model T non si sia fatto nessun passo avanti...

Visto come funziona? Sparata generalista, con cinismo e palese mancanza di comprensione del settore.

Poi ovvio che le cose stiano in modo completamente diverso, sia per le auto che per i razzi

Cheers

alex

Sì sì i clan, torna a giocare a Clash of Clans che ti si addice

MatitaNera

Come 'aereo' sì, ed atterrava da solo.

MatitaNera

Quelli molto prima.

MatitaNera

Chi pensa il contrario?

MatitaNera

Noooo. Bravo eh?

MatitaNera

In questo contesto la constatazione generalista ci sta. Del resto è bun fatto che usiamo sempre i razzi.

MatitaNera

L'emotività...

MatitaNera

Invece potresti. I miglioramenti tecnici sono sciocchezze per creare un clan.

MatitaNera

Lo so. Ma niente di irrimediabile.

Polnareff

Buon approfondimento per chi non ne sa nulla di razzi

Carlo Gamna

Purtroppo era molto avanti anche nel numero degli astronauti morti e dei problemi tecnici riscontrati.

Si vede che hai preso dentro una volta di troppo. :P

Boots Boot

Niente di nuovo

Gringo

D'altra parte le leggi della fisica non è che smettono di aver valore perché sono passati ben 70 anni dalla seconda guerra mondiale

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