Razzo

3.1

Sviluppo tecnologico

Nei razzi a propellente liquido di prima generazione, la parte anteriore contiene di solito il carico utile (ad esempio una testata esplosiva, oppure strumentazione scientifica) e gli strumenti di guida, mentre i due serbatoi contenenti il combustibile e l'agente ossidante sono collocati posteriormente.

Con l'inizio dei voli spaziali con equipaggio umano è apparsa una seconda generazione di vettori, dove il carico utile è costituito da una capsula spaziale abitabile (Mercury, Gemini e Apollo).

4

Propellenti liquidi

Accanto alle benzine, negli studi pionieristici sui razzi a propellente liquido sono stati usati anche il cherosene raffinato e l'alcol etilico. Quest'ultimo, combustibile di razzi come il V-2, il Viking e il Redstone, viene bruciato con ossigeno liquido, il quale presenta tuttavia alcuni svantaggi e in particolare possiede un punto di ebollizione così basso da disperdersi in misura considerevole per evaporazione.

La ricerca di un sostituto per l'ossigeno liquido ha condotto, quasi per caso, a un'altra classe di combustibili liquidi, costituiti da acido nitrico come ossidante e da anilina oppure idrazina come combustibile. Una simile combinazione non richiede ignizione, dato che il combustibile e l'ossidante bruciano spontaneamente quando vengono posti a contatto.

Di elevata pericolosità, l'idrogeno liquido è tuttavia il combustibile più efficace. Molti dei problemi legati all'uso di questa sostanza sono stati affrontati e risolti nell’ambito della realizzazione dei vettori Centaur e Saturn 5 e dei propulsori dello space shuttle.

5

Razzi ibridi

Nella successiva ricerca sono stati sperimentati razzi ibridi, che fanno uso di combustibile solido e di un ossidante un liquido. Questo sistema unisce ai vantaggi offerti dall’agevole manipolazione dei solidi, la possibilità di regolare facilmente il flusso del liquido (fino a interromperlo), riuscendo a ottenere sia tempestive correzioni di velocità, sia efficaci frenate.

Molti missili e veicoli spaziali sono oggi spinti da razzi a stadi multipli, alcuni dei quali usano propellenti liquidi, altri propellenti solidi.

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Ugelli

I motori a razzo ad alte prestazioni, come quelli usati per le esplorazioni spaziali, necessitano di ugelli molto grandi per raggiungere velocità supersoniche di uscita del getto. L'ugello deve avere una sezione convergente dalla camera di combustione alla porzione più stretta – detta gola – dove viene raggiunta la velocità del suono; successivamente la sezione diverge, fino a raggiungere un diametro di uscita che è pari a quattro o cinque volte quello della camera di combustione.

I caldissimi gas ad alta velocità a contatto con le pareti dell'ugello pongono un serio problema di trasferimento del calore, specialmente se la durata del getto deve essere di minuti e non di secondi. In un motore a idrogeno liquido-ossigeno, l'idrogeno può essere pompato attraverso piccoli tubi che in effetti costituiscono le pareti dell'ugello. Un tipo di motore a razzo avanzato, di efficienza più che doppia rispetto al motore alimentato a idrogeno liquido-ossigeno, è il motore a razzo nucleare. La prestazione di un motore a razzo è misurabile per mezzo del cosiddetto impulso specifico (Isp), cioè in termini di chilogrammi di spinta prodotta per chilogrammi di propellente usato in un secondo. Mentre il motore a idrogeno-ossigeno ha Isp intorno a 450, il motore a razzo nucleare, che era in fase di sviluppo durante gli anni Sessanta e Settanta, raggiunge circa i 1100 Isp. Questo dispositivo impiega idrogeno liquido, che viene convertito in gas e riscaldato a temperature molto alte per mezzo di un reattore a fissione nucleare (vedi Energia nucleare); l'idrogeno non brucia, ma passa semplicemente attraverso un ugello ad alta pressione e velocità. Progettato per l'impiego nello spazio, più che per lanci da terra, questo motore troverà forse applicazione per le missioni interplanetarie del futuro.

Molti altri tipi di motore a razzo sono in fase di progettazione; essi potrebbero essere usati in futuro in missioni spaziali di lunga durata che prevedono il passaggio attraverso deboli campi gravitazionali. In queste condizioni possono essere impiegati dispositivi a bassa spinta, sempre che questa possa essere mantenuta per lunghi periodi con un'efficiente utilizzazione del combustibile.