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Introduzione

Razzo Veicolo dotato di propulsione propria per espulsione di gas generati in una camera di combustione (vedi Propulsione a reazione); dato che i propellenti contengono sia combustibile che comburente, un motore a razzo sviluppa una spinta propulsiva indipendentemente dall'ambiente esterno (a differenza di tipi diversi di motore a reazione che utilizzano l'ossigeno atmosferico per bruciare il combustibile contenuto nei serbatoi) ed è pertanto l'unico tipo di dispositivo adatto ai veicoli destinati all'esplorazione dello spazio o al trasporto di un carico utile al di fuori dell'atmosfera.

Il principio di funzionamento di un razzo si basa sulla terza legge di Newton (vedi Meccanica), secondo cui a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria, e può essere compreso considerando l'esempio di un contenitore chiuso riempito con un gas ad alta pressione. In condizioni normali, il gas esercita la stessa pressione su ogni punto delle pareti del contenitore, ma, se si pratica un foro sul fondo, esso sfugge dall'apertura e la pressione alla sommità del contenitore non è compensata. L'effetto della pressione interna del gas è quello di spingere il contenitore verso l'alto, in reazione al getto di gas che si libera verso il basso. L'entità della spinta sviluppata da un motore a razzo dipende principalmente da due fattori: la massa dei gas prodotti nella combustione e la velocità con cui vengono espulsi.

I razzi possono essere suddivisi in due classi principali: a propellente solido, come buona parte dei missili balistici intercontinentali (ICBM, dall'inglese Inter-Continental Ballistic Missiles), e a propellente liquido, come il vettore spaziale che ha portato l'uomo sulla Luna (vedi Missili guidati). In entrambi i tipi di razzo, la camera di combustione è detta 'motore'. In un razzo a propellente liquido, combustibile e comburente sono contenuti in serbatoi separati e confluiscono nel motore; in quelli a propellente solido la carica è unica e si trova immagazzinata nella stessa camera di combustione.

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Razzi a propellente solido

I primi razzi a propellente solido sfruttavano la reazione di combustione di una miscela contenente gli stessi componenti della polvere pirica, ma in proporzioni differenti. Mentre la polvere pirica era composta dal 75% circa di salnitro, dal 12% di zolfo e dal 13% di carbonella, le cariche per la propulsione dei razzi consistevano del 60% di salnitro, del 15% di zolfo e del 25% di carbonella e, data questa diversa proporzione, bruciavano molto più lentamente.

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Sviluppo tecnologico

Di antichissima origine, i razzi vennero usati per la prima volta in battaglia nel 1232, durante l'assedio di Kaifeng, antico capoluogo della provincia cinese dello Henan. In seguito, proiettili autopropulsi vennero introdotti anche in Europa e in Africa settentrionale, ma all'inizio del XV secolo il loro uso bellico era limitato; utilizzati soprattutto per incendiare le vele di navi nemiche nel corso di battaglie navali, divennero poi, nell'Europa del XVI secolo, i principali componenti dei fuochi artificiali.

Nel XVIII secolo, razzi stabilizzati da canne di bambù vennero utilizzati in India contro le truppe britanniche. In seguito, William Congreve, figlio di un generale inglese, riprese la sperimentazione del razzo come arma da guerra, costruendone uno dal peso complessivo di 14 kg in grado di percorrere oltre 3 km: costituito da un rivestimento in lamiera di ferro, conteneva una carica da 3 kg di materiale incendiario e montava un'asta di coda lunga circa 4 m, necessaria a stabilizzarlo in volo. Ne furono sviluppate varie versioni, di peso e dimensioni differenti.

Il razzo di Congreve fu impiegato per la prima volta nel 1805 durante le guerre napoleoniche, quando navi britanniche attaccarono il porto di Boulogne, in Francia, nel tentativo di distruggere la flotta che i francesi stavano allestendo per invadere la Gran Bretagna. L'anno successivo, l'arma fu usata con successo sempre a Boulogne e nel 1807 nel bombardamento navale di Copenaghen.

Entro il 1825 molti stati europei disponevano dei razzi di Congreve e avevano istituito brigate specializzate nel loro uso. Nel 1844 l'inventore britannico William Hale brevettò un razzo che si stabilizzava in volo per mezzo di una rotazione attorno al proprio asse. Il nuovo razzo era dotato di una serie di fori da cui uscivano i getti che producevano il movimento rotatorio. I diritti dell'invenzione furono ben presto acquistati dagli Stati Uniti e le armi furono impiegate nella guerra contro il Messico (1846-48) e nella guerra di secessione americana (1861-1865).

L'uso dei razzi in guerra cominciò a declinare nella seconda metà del XIX secolo, con lo sviluppo di cannoni più leggeri e di proiettili più efficaci. In Gran Bretagna e nel Nord Europa, il razzo di Congreve, opportunamente modificato, fu utilizzato anche per portare soccorso alle navi incagliate in prossimità delle coste; il razzo veniva infatti usato per lanciare alle navi in difficoltà una cima che veniva utilizzata per trarre a riva le scialuppe di salvataggio.

Poco prima del 1880 furono sviluppati anche razzi per la caccia alle balene e per segnalazioni e, alla fine del secolo, questi dispositivi erano ormai usati poco per scopi militari; qualche scienziato iniziò a ipotizzarne un'applicazione per voli interplanetari.

Nel corso della prima guerra mondiale i razzi furono utilizzati soprattutto per segnalazioni. All'entrata in guerra degli Stati Uniti, il fisico statunitense Robert Goddard, impegnato nel progetto di razzi di sonda adatti per misurazioni scientifiche dell'alta atmosfera, iniziò la sua collaborazione con l'esercito statunitense. Le prove preliminari di razzi ad alta velocità progettati da Goddard furono effettuate pochi giorni prima della fine del conflitto, nel novembre 1918; essi impiegavano polvere senza fumo, anziché polvere pirica, ed erano dotati di particolari ugelli di scarico.

Circa vent'anni dopo, sulla base di queste ricerche, Clarence N. Hickman, uno degli assistenti di Goddard, inventò il bazooka, utilizzato per la prima volta in Africa settentrionale (1942-43). Quest’arma da 2,36 pollici era particolarmente temibile perché dotata di testata perforante a carica cava. Lanciato da un soldato di fanteria, il razzo poteva essere scagliato a una distanza utile di circa 90 m ed era in grado di perforare una corazza di oltre 10 cm. Successive modifiche permisero di portare la gittata massima a circa 600 m (M1A1). Gli sviluppi postbellici condussero alla messa a punto dell’M20 da 3,5 pollici, il cosiddetto “Super Bazooka”, utilizzato nella guerra di Corea (1950-1953) e capace di perforare corazze di quasi 30 cm.

In seguito vennero sviluppati razzi di diverso calibro per il fuoco di artiglieria, impiegabili da lanciatori multipli (anche montati sotto le ali di aerei), oppure come armi individuali. Uno dei modelli da aereo più usati, soprattutto negli Stati Uniti, fu il razzo HVAR (dall'inglese High Velocity Aircraft Rocket), da 5 pollici, che trasportava una testata da 25 kg di esplosivo ad alto potenziale a una velocità di oltre 410 m/s.

I tecnici tedeschi misero a punto vari tipi di razzi d’artiglieria, con calibri che andavano da 15 a 32 cm.

Dopo la seconda guerra mondiale, per impieghi diversi ma soprattutto come propulsori per missili guidati, furono sviluppati altri razzi a propellente solido, di dimensioni notevoli. Ad esempio, il peso al lancio del missile Trident-II D5 (lanciato da sottomarino) è di circa 59 tonnellate, mentre i due booster a propellente solido dello space shuttle pesano più di 500 tonnellate ciascuno.

Oggi è allo studio un nuovo propellente solido a base di paraffina, che potrebbe sostituire efficientemente quelli attualmente utilizzati dai booster dello space shuttle. Si tratta di una sostanza relativamente economica, non tossica, i cui prodotti di combustione sono soltanto anidride carbonica e acqua (quelli attualmente utilizzati producono invece ossido di alluminio e gas acidi).

Oltre che in ambito militare e aerospaziale, i razzi a propellente solido sono oggi ricorrentemente utilizzati in diversi settori civili, ad esempio nella marina, dove vengono impiegati per le segnalazioni. Un singolare uso dei razzi viene fatto nell’ingegneria civile; essi vengono infatti utilizzati nella costruzione dei ponti e servono a lanciare il capo dei cavi d’acciaio da una sponda all’altra dei fiumi. Vettori a propellente solido vengono normalmente impiegati per portare a considerevoli quote strumenti scientifici (ad esempio per la ricerca meteorologica, o sui raggi cosmici), oppure per agevolare il decollo di aerei adibiti al trasporto di carichi particolarmente pesanti.

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Razzi a propellente liquido

Lo sviluppo dei razzi a propellente liquido iniziò nel corso degli anni Venti del XX secolo. Il primo vettore di questo tipo funzionante, costruito da Goddard, fu lanciato nel 1926 nei pressi di Auburn, nel Massachusetts, ma il primo grande razzo dal funzionamento efficiente fu il prototipo di V-2, progettato in Germania sotto la direzione di Wernher von Braun. Il primo V-2 fu lanciato il 3 ottobre 1942 dal centro di ricerca di Peenemünde.

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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).

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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.

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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.