Come funzionano i razzi: tecnologia del motore e meccanica del lancio nello spazio spiegate

Ogni lancio orbitale, dai veicoli di sollevamento pesante delle agenzie spaziali governative ai voli commerciali di satelliti, si affida alla stessa fisica fondamentale descritta per la prima volta più di un secolo fa. Comprendere come un motore di razzo produce spinta, perché i veicoli di lancio sono divisi in stadi, e cosa separa il raggiungimento dell'orbita dall'abbandono della gravità terrestre completamente, aiuta a spiegare perché l'ingegneria missilistica rimane uno dei problemi più difficili dell'ingegneria.

La fisica dietro ogni lancio

Secondo il Glenn Research Center della NASA, la spinta del razzo viene prodotta in conformità alla terza legge del moto di Newton: il motore accelera il gas di scarico in una direzione, e una forza uguale e opposta spinge il razzo nell'altra direzione. Il carburante e un comburente vengono miscelati e accesi in una camera di combustione, producendo gas caldo ad alta pressione che viene forzato attraverso un ugello per accelerare il flusso.

Il Glenn Research Center della NASA afferma che la spinta risultante dipende da tre fattori: la portata in massa dello scarico, la sua velocità di uscita e la pressione all'uscita dell'ugello, espressa come F = ṁVe + Ae(pe − p0). Il punto più stretto dell'ugello, chiamato gola, è dove lo scarico raggiunge la velocità del suono, che fissa la portata in massa; il rapporto tra la gola e l'uscita quindi determina la velocità di uscita e la pressione.

La stessa fonte NASA rileva la ragione chiave per cui i razzi funzionano dove i motori a reazione non possono: i motori turboelica e le eliche dipendono dall'aria atmosferica come fluido di lavoro, mentre un razzo trasporta il suo proprio comburente e quindi può generare spinta nel vuoto dello spazio.

Motori a combustibile liquido e a propellente solido

Il Glenn Research Center della NASA descrive due famiglie di motori principali. In un motore di razzo a combustibile liquido, il carburante e il comburente vengono immagazzinati separatamente come liquidi e pompati nella camera di combustione, il che consente la combustione di essere regolata, arrestata e talvolta riavviata. In un razzo a propellente solido, i propellenti sono già miscelati e imballati in un cilindro solido; una volta acceso, un motore a propellente solido non può essere spento senza distruggere l'involucro.

La spiegazione del Museo Nazionale dell'Aria e dello Spazio dello Smithsonian 'Come volano le cose' dice che il combustibile solido è spesso favorito per l'accensione iniziale di un razzo perché brucia in modo uniforme ed è meccanicamente semplice e stabile, mentre il combustibile liquido offre una spinta che può essere regolata e controllata durante il volo, il che è più adatto alle fasi di volo successive, più precisamente gestite.

Perché i razzi sono costruiti in stadi

La relazione tra la capacità di velocità di un razzo e la sua massa è governata dall'equazione del razzo di Tsiolkovsky, pubblicata per la prima volta nel 1903. Come riassunto da The Planetary Society, il cambiamento di velocità totale (delta-v) che un razzo può raggiungere è uguale alla sua velocità di scarico moltiplicata per il logaritmo naturale del suo rapporto di massa — la massa iniziale rifornita divisa per la massa finale, bruciata.

Poiché quella relazione è logaritmica, The Planetary Society rileva che una volta che il rapporto di velocità desiderato supera circa tre o quattro, la quantità di massa extra necessaria aumenta nettamente per ogni aumento aggiuntivo di velocità. Il propellente extra deve essere accelerato, quindi i guadagni in velocità diventano sproporzionatamente costosi in massa.

La stratificazione risolve parte di quel problema. Secondo la spiegazione dello Smithsonian, una volta che uno stadio ha bruciato il suo carburante, la sua struttura e il motore non forniscono più una spinta utile e invece diventano peso extra che rallenta il razzo, così i veicoli di lancio lasciano cadere ogni stadio esaurito per alleggerire il razzo rimanente prima che il motore successivo si accenda.

Orbita versus abbandono completo della Terra

Raggiungere l'orbita non è la stessa cosa che lasciare la gravità terrestre completamente. Il servizio di notizie di Georgia Tech fornisce la velocità di fuga della Terra — la velocità minima necessaria per allontanarsi dal pianeta in modo permanente senza ulteriore propulsione — come 25.020 mph, o circa 40.000 chilometri all'ora.

I satelliti e i veicoli spaziali con equipaggio in orbita terrestre bassa viaggiano molto più lentamente di questa cifra. Georgia Tech spiega che gli oggetti in orbita vengono lanciati con momento laterale, così che mentre la gravità li tira continuamente verso la Terra, il loro movimento in avanti li porta oltre il pianeta piuttosto che dentro di esso, permettendo loro di cadere continuamente intorno alla Terra invece che verso di essa. Ecco perché, nota la fonte, migliaia di satelliti orbitano con successo a velocità ben al di sotto della velocità di fuga totale.

Riutilizzabilità: l'esempio di Falcon 9

I moderni veicoli di lancio mirano sempre più a recuperare e riutilizzare l'hardware piuttosto che scartarlo. Secondo la voce di Wikipedia sul Falcon 9, gestito da SpaceX, il primo stadio del veicolo è alimentato da nove motori Merlin 1D che bruciano ossigeno liquido e cherosene RP-1, disposti in una configurazione che l'azienda chiama Octaweb.

La stessa fonte afferma che dopo la separazione dallo stadio superiore, il primo stadio utilizza alette a griglia che si dispiegano dopo la separazione per il controllo aerodinamico, insieme a quattro gambe di atterraggio estensibili, per toccare terra sia sulla terraferma che su una nave drone autonoma in mare. Al 13 ottobre 2026, secondo la voce, i singoli booster Falcon 9 avevano ciascuno volato fino a 37 volte.