Breve Storia dell'Astronautica

di Patrizio Claudio Casiraghi

 

Tecnica Astronautica - Parte 2. I propellenti

Un tempo l'unico combustibile a disposizione dell'uomo era il legno. Quindi scoprì che esistevano dei prodotti estratti da piante ed animali che si prestavano a bruciare, ma se occorreva un fuoco intenso erano impossibili da utilizzare. Poi scoprì il carbone. Facilmente trasportabile e immagazzinabile, a patto di non lasciarlo al caldo. Fu il carbone il vero artefice della rivoluzione industriale, bruciato a tonnellate nei forni adibiti a far funzionare macchine a vapore. Insieme al carbone la chimica produsse una discreta varietà di polveri combustibili e la guerra ne sviluppò una in particolare: la polvere da sparo. A questa fece seguito la nitroglicerina e la sua forma stabile: la TNT o trinitrotoluene. Ma nessuno di questi combustibili si prestava all'uso come combustibile per razzi. Gli stessi fabbricanti di fuochi d'artificio avevano elaborato miscele di polveri piriche diverse, ma sin dall'inizio dei primi esperimenti si rivelarono inadatte ad un razzo di prestazioni più elevate. Da subito infatti i primi sperimentatori si concentrarono sui combustibili liquidi: benzina, alcool e paraffina, a volte miscelati con acqua. La scienza mise ben presto a disposizione l'ossigeno liquido e questo si rivelò un comburente perfetto per essere contenuto nei serbatoi di un razzo. Con il tempo la chimica rese disponibili altre sostanze combustibili "fabbricabili", molto più efficienti dei combustibili a base carboniosa, ma spesso estremamente pericolosi da maneggiare perché altamente tossici sia per la loro natura che una volta combusti. Il mondo militare però spinse la ricerca di nuovi combustibili sia per spingere i missili con combustibili solidi, che con combustibili liquidi per i nuovi jet. Quello che volgarmente è chiamato kerosene, inizialmente impiegato per la propulsione dei primi jet, subì una tale evoluzione nel trattamento da diventare il combustibile più usato per i moderni aerei a reazione e si scoprì che poteva tranquilla mente essere impiegato anche per la propulsione a razzo. L'insieme del propellente e del comburente è in genere definito come "propergoli". In un normale propulsore terrestre, di qualsiasi tipo, si usa miscelare nella camera di combustione il carburante con l'aria aspirata dall'esterno e quindi sfruttare l'ossigeno atmosferico come comburente. La potenza di un propulsore a razzo invece dipende anche dalla perfezione con cui avviene la combustione dei propergoli. Quindi la presenza di azoto, vapore acqueo, anidride carbonica e polveri varie presenti nell'aria, interferisce con la combustione facendo diminuire le prestazioni del propulsore fino a renderlo inefficace. Oltre a questo nello spazio l'aria non c'è. Per questo là dove il carburante richiede come comburente l'ossigeno, questo viene immagazzinato in appositi serbatoi. Le tecnologie criogeniche, ovvero quelle del super freddo, hanno consentito di liquefare l'idrogeno che è stato scelto come combustibile ideale per la propulsione a razzo. Tra i combustibili l'idrogeno liquido è il più performante dopo una pericolosa miscela acida. Dietro a lui il carburante aeronautico ed il metano. L'uso delle tecnologie criogeniche per l'immagazzinamento dell'idrogeno e dell'ossigeno ha permesso lo sviluppo di propulsori molto potenti perché per raffreddarli si usano i propergoli criogenici che una volta fatto il loro dovere o sono convogliati nella camera di combustione o dispersi. Questo comporta un aumento della volumetria dei serbatoi, ma la quantità di propergoli criogenici persi per il raffreddamento dei razzi è compensata dall'aumento delle prestazioni dei razzi stessi. L'uso della criogenica, ma anche di propergoli chimici aggressivi, comporta una serie di problemi tecnici non da poco. I propergoli vengono iniettati nella camera di combustione a pressioni molto elevate, possono avere temperature bassissime ed essere molto aggressivi con tutto quello con cui entrano in contatto. Per questo occorre realizzare serbatoi, condotti, pompe ed altri dispositivi con materiali che non si possono reperire in commercio, ma fabbricati appositamente. Questo significa che solo chi possiede un certo livello tecnologico può accedere a certi "livelli" spaziali, cosa che viene in genere giudicata come un metro per verificare le capacità tecnologiche di uno stato, cosa che vedremo in un altra parte. D'altro canto, la propulsione a razzo, nella sua semplicità, diventa complessa quando deve erogare potenze che solitamente posso erogare solo delle "centrali elettriche" concentrate in uno spazio molto ristretto. Quanto sopra solo per i propulsori a combustibili liquidi. Esistono anche razzi a combustibile solido per uso astronautico. Solitamente utilizzati per il volo atmosferico o calibrati per l'ultima parte del volo di un satellite. Anche loro sono dei cilindri cavi con un ugello ad una delle estremità. Il carburante è una forma di resina/gelatina appoggiata alle pareti interne del razzo, che viene messa in combustione ponendola in contatto con un reagente il quale avvia un processo a catena che termina con l'esaurimento del carburante. Questa loro particolarità rende i razzi a combustibile solido non idonei ad una spinta calibrabile a piacere. Però è possibile calibrare la loro spinta sagomando la superficie interna delle miscele. In base alla sagomatura è possibile modulare la spinta. Ovviamente questo dev'essere studiato prima del lancio. Tentativi di realizzare razzi misti solido/liquido si sono rivelati inefficienti.

Fuochi d'artificio per il 4 di luglio a San Diego (Credit:  PDphoto.org)

L'interno del serbatoio esterno dello Space Shuttle (Credit: NASA)

Due segmenti a propellente solido dello Space Shuttle mentre stanno per essere accoppiati. Si nota il propellente solido di colore scuro all'nterno

Fuochi d'artificio per il 4 di luglio a San Diego (Credit: PDphoto.org)

L'interno del serbatoio esterno dello Space Shuttle (Credit: NASA)

Due segmenti a propellente solido dello Space Shuttle mentre stanno per essere accoppiati. Si nota il propellente solido di colore scuro all'nterno

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Ultimo aggiornamento 23/03/2017

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