Come sono fatti e come funzionano i razzi spaziali

3, 2, 1… partito! Un razzo spaziale è un mezzo capace di muoversi al di fuori dell'atmosfera terrestre, portando con se sia il carburante che l'ossidante che serve al suo funzionamento.  Il principio di funzionamento di un razzo spaziale può sembrare semplice, ma in realtà è un intricato insieme di calcoli matematici e di applicazione di leggi della fisica. I razzi sono usati per scopi militari,  per la ricerca scientifica, per trasporto di satelliti artificiali o sonde spaziali in orbita nello spazio.  Costruire un razzo che funzioni e che riesca a lasciare l’atmosfera non è un impresa da poco e, se ci pensiamo, lanciare un razzo nello spazio è uno dei più grandi successi dell'umanità. Ma come fanno?

Come funziona un razzo spaziale

Di razzi oggi ne esistono di tantissimi tipi, ma il loro principio di funzionamento si basa sempre sull'applicazione del terzo principio della dinamica di Newton dell’azione e reazione, secondo il quale ogni azione provoca una reazione uguale e contraria. In parole semplici, il propulsore spinge gas molto caldi verso il basso, che a loro volta lo spingono verso l’alto. In gergo tecnico viene chiamata spinta.

La spinta di un razzo è dovuta quindi alla rapida espansione dei gas prodotti dalla combustione dei propellenti. Fino qui può sembrare semplice, ma dobbiamo tenere a mente che i razzi devono arrivare nello spazio dove non c’è ossigeno e continuare la loro corsa per portare il carico in orbita. Ma allora come fanno?

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I propulsori

Esistono due principali tipi di propulsori: quelli a combustibile solido o quelli a combustibile liquido. In un razzo a combustibile solido, che per struttura e funzionamento è quello più semplice, i propellenti, ovvero il carburante e l’ossidante, vengono mescolati insieme e confezionati in un cilindro solido, che ha la consistenza di una gelatina. Questi razzi vengono chiamati anche booster, e sono quelli che vediamo solitamente ai lati del razzo principale e che hanno il compito di fornire una spinta extra per uscire dall’atmosfera. La particolarità di questi razzi è che, una volta iniziata, la combustione non si può fermare, bruciando fino all’ultimo grammo di combustibile.

Diverso è il discorso per i razzi a propellente liquido. Questo è il tipo di razzo più complesso e sofisticato, perché per funzionare ha bisogno di molti componenti: i serbatoi (che contengono i combustibili), le pompe (per mettere in pressione il liquido), una camera di combustione e l’ugello. Quando viene avviata la sequenza di lancio, dei condotti portano i liquidi alle pompe, che sono avviate tramite la pressione di uno dei propellenti oppure tramite il ricircolo dei gas di scarico. Queste pompe servono ad aumentare la pressione dei liquidi forzandoli all'interno della camera di combustione. L’ossidante, che è ossigeno liquido, si mescola al combustibile, che può essere idrogeno, kerosene o metano. Quando questi due si uniscono  si accendono sviluppando grandi quantità di gas. Il gas ad alta pressione preme contro le pareti della camera di combustione, uscendo dall’unica parte aperta, ovvero l’ugello, ad altissime velocità. La forma particolare dell’ugello permette di velocizzare il flusso dei gas di scarico a velocità supersoniche, così da applicare la spinta necessaria a far sollevare il razzo da terra.

A differenza dei razzi a combustibile solido, questi possono essere spenti e accesi a piacimento. Pensate che un razzo nei primi due minuti di volo può raggiungere una velocità di circa 30.000 km/h e arrivare fino a 40.000 km/h per riuscire a lasciare l’atmosfera terrestre.

Le parti di un razzo spaziale

Oltre ai propulsori, di cui abbiamo parlato finora, i razzi sono costituiti da altre tre parti principali: il sistema di guida, il carico utile e il sistema strutturale. Partendo dal basso, la prima cosa che osserviamo sono appunto i propulsori, che hanno il compito di fornire la spinta. Salendo ancora troviamo il sistema di guida, che ha due compiti principali durante il lancio di un razzo: fornire stabilità e controllare i movimenti durante l’ascesa. Subito sopra il sistema di guida troviamo il carico utile, ovvero uno spazio vuoto dove è possibile caricare satelliti o, per le spedizioni spaziali, anche esseri umani.

Tutto questo deve essere tenuto insieme ovviamente, ed è qui che entra in gioco il sistema strutturale, che unisce tutti le parti del razzo in un'unica struttura. Le strutture dei razzi devono essere robuste ma leggere, e devono essere progettate per resistere a un'ampia gamma di condizioni ambientali, come la pressione e la temperatura estreme che si verificano durante il decollo e l’uscita dall'atmosfera terrestre. Per fare questo vengono utilizzati materiali compositi come la fibra di carbonio, che è un materiale in grado di sopportare forze estreme senza compromettere l'integrità strutturale del razzo.

Vi abbiamo illustrato fino le parti del razzo in termini semplicistici, ma tenete conto che generalmente un razzo spaziale è diviso in stadi diversi, ognuno con il suo motore. Questo permette di calibrare con più precisione le spinte che servono a un razzo per lasciare l’atmosfera. I razzi non servono ovviamente solo per raggiungere la luna: vengono utilizzati a scopo militare, per spedire satelliti in orbita, per lanciare sonde per l'esplorazione spaziale e così via. Sicuramente la corsa allo spazio ha dato una spinta allo sviluppo di nuove tecnologie in pochissimo tempo. Se ci pensate, dagli anni ‘50 ad ora, siamo riusciti a mandare l’uomo sulla luna e a costruire una stazione spaziale orbitale che può essere abitata da esseri umani. Una cosa incredibile se pensate che è successo in poco più di mezzo secolo.