Breve Storia dell'Astronautica

di Patrizio Claudio Casiraghi

 

Tecnica Astronautica - Parte 1. I propulsori

Gli aerei volano grazie alle ali. Muovendosi nell'aria queste generano una forza chiamata "portanza" la cui intensità dipende dalla superficie dell'ala, dalla velocità dell'aria e dalla densità della stessa, dall'inclinazione dell'ala e dal profilo della sua sezione. A seconda della mansione dell'aereo esso utilizza un profilo alare ottimale per il suo scopo. I moderni aerei di linea volano a quote molto elevate perché lì la resistenza dell'aria è ridotta in quanto l'aria stessa è più rarefatta che a pochi chilometri dalla superficie terrestre. Ciò permette all'aereo di viaggiare più veloce, compensando così la minore densità dell'aria che scorre sotto le ali. Ma un aereo non può volare oltre certe quote, in quanto l'aria diventa troppo rarefatta, tanto che l'ala perde di efficacia ma anche la propulsione dell'aereo, in quanto nei suoi motori il carburante necessita di aria, meglio, di ossigeno per bruciare e se nell'aria l'ossigeno non è presente almeno in una quantità minima, il motore si spegne. Che la densità dell'aria diminuisce con la quota era ben noto alla comunità scientifica. Quindi era noto che lo spazio era "vuoto". Meglio, la spazio non è proprio vuoto, ma la materia presente in un metro cubo di "vuoto" spaziale è talmente minima da risultare spesso trascurabile. E' chiaro che un aereo dotato di un propulsore a pistoni ma anche un moderno jet non possono superare una certa quota. In queste immagini il funzionamento di un cannone da 406mm del progetto HARP degli USA, tentativo fallito di inviare un proiettile nello spazio Quindi com'è possibile volare nello spazio? Una soluzione ingenua la pone Jules Verne nel diciannovesimo secolo, proponendo di sparare un proiettile nello spazio. L'idea non è poi così tanto ridicola. Gli eserciti hanno sempre cercato di costruire cannoni sempre più potenti per lanciare i loro proiettili a distanze sempre più elevate. Questo comporta dei problemi tecnici non da poco che hanno sempre impedito ai cannoni di superare certe gittate, ma l'idea di costruire un supercannone capace di spedire in orbita un proiettile è stata testata. [Nelle foto a sinistra un supercannone da 406mm del progetto HARP]. L'ideatore del supercannone è poi stato assassinato ed ora il progetto langue. Ma ancora si parla di piccoli ordigni, pensare di spedire dei satelliti nello spazio con supercannoni è fuori discussione per motivi che affronterò in un altra parte. Da tempo però esisteva una forma di propulsione che per via della sua imprecisione non meritava il giusto riconoscimento: la propulsione a razzo. Era nota fin dal Medio Evo in Europa, ma non si era rivelata particolarmente efficace nell'uso bellico ed era utilizzata solo per spingere fuochi d'artificio. La riscoperta avviene agli inizi del diciannovesimo secolo quando l'esercito di Sua Maestà Britannica si dota di ordigni a razzo che garantiscono una precisione minima. Studi su questa propulsione vengono avviati in Russia. Qui, il professore di scuola Konstantin Tziolkovskij si rende conto che la propulsione a razzo potrebbe essere adatta al volo spaziale. Egli intuisce che tale propulsione è l'applicazione diretta del Terzo Principio della Dinamica o di Azione e Reazione. La formula che la descrive è semplice: Mm/Vm = Mg/Vg. Traduciamo. Mm è la massa (non il peso) del missile e Vm la sua velocità, quindi Mg è la massa dei gas (non il peso) espulsi e Vg la loro velocità, il tutto ovviamente nella stessa quantità di tempo. Il che significa che il rapporto massa/velocità del missile è uguale a quello della quantità e della velocità dei gas espulsi. Ovviamente con il tempo il missile si alleggerisce a causa del consumo dei propellenti, quindi la formula completa è molto più complessa. Non pensiate quindi che solo con questa formula si possa diventare ingegneri aerospaziali, però serve a capire il funzionamento della propulsione a razzo dal punto di vista matematico. Nonostante i suoi colleghi sollevino molte obiezioni sulle sue argomentazioni solo sulla base di convinzioni radicate, il professore prosegue i suoi studi teorici sia riguardo la realizzazione di un vero missile che sulla sua progettazione e sulle dinamiche del suo volo. Se dal lato pratico il professore non realizzerà mai un missile, teorizzando però che il propulsore a razzo sarebbe più efficiente con combustibili liquidi, la parte teorica getta delle solide basi nella comprensione delle dinamiche di volo che restano tutt'ora valide. Come Tziolkovskij, agli inizi del ventesimo secolo anche in America il professor Robert Goddard incontra lo stesso ostruzionismo scientifico. Anche lui teorizza l'uso della propulsione a razzo per il volo spaziale ma invece di fermarsi alla teoria, trova i fondi per realizzare e sperimentare propulsori e missili. Brevetterà migliaia di dispositivi per la propulsione a razzo e dimostrerà che funziona anche nel vuoto cosmico. Ora però abbandoniamo la storia per capire come funziona un propulsore a razzo. Sostanzialmente un propulsore a razzo è come un cannone dove la parte del proiettile è interpretata dai gas combusti, oppure come il cilindro di un motore a scoppio dove il pistone è sempre interpretato dai gas. Solo che nel caso della propulsione a razzo, non si sfrutta l'azione dei gas sul fondello di un proiettile o sulla testa di un pistone, ma la pressione che si genera sulla testa della camera di scoppio e l'effetto dinamico dovuto ai gas che fuoriescono. Insomma, il razzo funziona utilizzando il "rinculo". In pratica il razzo è un cilindro cavo con un'estremità aperta dentro al quale viene bruciato del combustibile. I gas generati dalla combustione cercano una via d'uscita rimbalzando contro le pareti e la trovano solo rimbalzando contro l'estremità chiusa. Se poi all'estremità aperta si mette un'ostruzione che diminuisce il diametro dell'apertura, la pressione dei gas nel cilindro aumenta, quindi anche la forza che si scarica sull'estremità chiusa e la velocità con cui i gas escono dal cilindro. Schema della spinta ottenuta dalla pressione generata nella camera di combustione e che esce dall'ugello Schema della spinta ottenuta dalla pressione generata nella camera di combustione e che esce dall'ugello Tale riduzione dell'estremità aperta è un trucco per aumentare la velocità e la pressione ben noto ai fabbricanti di fuochi d'artificio, ma si può sperimentare anche otturando con un dito il flusso di acqua che esce da una canna. Una volta fuori dal cilindro però i gas possiedono ancora un'energia che può essere assorbita sagomando opportunamente gli ugelli d'uscita, i grandi coni visibili dietro ai razzi. Nella illustrazione schema della spinta ottenuta dalla pressione generata nella camera di combustione e che esce dall'ugello. A suo tempo il professor Goddard scoprì che in presenza di atmosfera il rendimento dei propulsori a razzo diminuiva, mentre nel vuoto aumentava, perché la pressione atmosferica smorza la forza generata dal razzo. Sin dai primi esperimenti si vide che una forma di propulsione così apparentemente semplice si portava appresso problemi tecnici non da poco. Per avere spinte efficaci occorrono carburanti ad elevate prestazioni, che si traducono in pressioni e temperature notevoli all'interno della camera di combustione, il "cilindro" descritto sopra. Questo comporta la realizzazione di camere di combustione di grande spessore, quindi aumenti di peso, oppure l'adozione di nuovi materiali. Entrambe le soluzioni infine comportano un aumento dei costi, cosa non da poco. Per rimediare a questi inconvenienti si progettano propulsori "a perdere" destinati a funzionare correttamente solo per il tempo utile, poi se si guastano non ha importanza in quanto non sono più destinati ad essere usati. Anche così però le difficoltà non sono poche. Principalmente evitare che le elevate temperature non fondano il propulsore. Per evitare questo occorre refrigerare il propulsore, ma questo comporta un notevole aggravio sia nella progettazione che nel peso del propulsore, perché occorre portarsi appresso pompe, serbatoi supplementari, liquidi refrigeranti e radiatori, tutta roba sostanzialmente inutile, pesante ed ingombrante. Per questo la ricerca ha puntato verso nuovi materiali e nuovi combustibili, che vedremo nella parte successiva. Capita di sentir parlare di propulsori atomici, a fusione o ionici. Sembrano cose da fantascienza, ma non lo sono. Il loro funzionamento è banale ed è solo una variante della propulsione a razzo. Il motore atomico non è altro che un fluido che raffredda una nocciolo atomico. Aumentando la sua pressione viene convogliato fino all'ugello di un razzo dove genera una spinta. Tale propulsore è stato realizzato e testato. Ha delle grandi capacità ma purtroppo dal suo ugello escono anche molte particelle radioattive che lo rendono inutilizzabile nell'atmosfera terrestre, ovvero là dove sarebbe di grande aiuto. La propulsione a ioni invece sfrutta la "ionizzazione" di un gas che viene espulso da un campo magnetico. Purtroppo la spinta generata è pari a un lieve soffio. Quindi questo propulsore non ha la forza per decollare da Terra, ma viene impiegato come propulsore per le sonde spaziali, perché se è vero che la sia spinta è bassa, essendo continua finisce per dare spinte notevoli con il tempo. La propulsione e fusione è simile a quella a ioni. Solo che utilizza come carburante un isotopo dell'elio che non è presente sulla Terra che in tracce minime ma è abbondante sugli altri corpi del sistema solare. Il motore a fusione al momento rimane solo nelle carte dei progettisti perché non è ancora stato testato, ammesso che poi funzioni realmente. Ci sono altre varianti del propulsore a fusione, ma il discorso comunque non cambia. L'unica forma di propulsione spaziale realmente diversa è quella della vela solare ipotizzata da un allievo del professor Tziolkovskij, tale Tsander. La luce è composta da fotoni, che oltre ad essere delle radiazioni, sono composti anche da una piccola massa. In laboratorio i fotoni sono in grado di spostare sottili fogli d'alluminio nel vuoto, ma nello spazio i raggi solari sono tanto potenti da deviare le orbite dei satelliti. Si potrebbe realizzare un veicolo dotato di vele che sfrutti la pressione della luce solare o di un raggio laser per muoversi, ma al momento tale veicolo è fuori dalla portata delle nostre tecnologie. Questo è il motivo che ha portato alla chiusura della "regata solare" che verso la fine degli anni '80 del ventesimo secolo era stata indetta per studiare questo tipo di veicolo ponendo un premio in denaro al vincitore. Anche così però la spinta è debole e vale il discorso fatto per i motori a ioni. Cosa resta? La fantascienza, speculando sulle conoscenze fisiche, ha ideato molte forme di propulsione, ma restano idonee solo alla fantascienza perché tecnicamente non si sappiamo neppure da che parte iniziare a testarle, ammesso che siano fattibili.

Un motore SSME della navetta spaziale NASA al banco di prova

Il motore a razzo nucleare NERVA studiato dalla NASA negli anni '60

Un motore ad ioni di Xeno in funzione, quello della sonda Deep Space 1

Un motore SSME della navetta spaziale NASA al banco di prova (Credit: NASA)

Questo è un prototipo del motore nucleare NERVA che la NASA costruì e testò negli anni '60 (Credit: NASA)

Un motore ad ioni di Xeno in funzione, quello della sonda Deep Space 1 (Credit: NASA)

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Ultimo aggiornamento 23/03/2017

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