COME FUNZIONA UN MOTORE A RAZZO? I “SEGRETI” PER VOLARE NELLO SPAZIO

«Three, two, one… GO!», quante volte gli appassionati dei viaggi spaziali saranno rimasti incollati allo schermo ad assistere ad un lancio. Tutto molto suggestivo ed emozionante, ma come funziona un motore a razzo?

L’invenzione e lo sviluppo delle tecnologie spaziali rappresenta una delle innovazioni più incredibili del XX secolo. Tra queste, i motori a razzo sono l’emblema di un vero e proprio capolavoro di ingegneristica. Non a caso, tutt’oggi sono l’unico mezzo in grado di portarci fuori dall’atmosfera terreste.

A differenza dei motori aeronautici convenzionali, che dipendono dall’ossigeno presente nell’aria per bruciare il carburante, il razzo è in grado di portare con sé tutto ciò che serve per il proprio funzionamento: combustibile e ossidante. Ciò, gli permette di operare nello spazio, dove appunto l’aria è assente.

Nelle prossime righe osserveremo da vicino il suo funzionamento, soffermandocu sui componenti che lo compongono e su come si è evoluto nel tempo. Infine, vedremo come gli endoscopi industriali risultino fondamentali per le ispezioni e la manutenzione dei motori a razzo.

Qual è il principio di funzionamento del motore a razzo?

Il funzionamento di un motore a razzo si basa su un principio fisico apparentemente semplice, ovvero la terza legge della dinamica di Newton, la quale afferma che “a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria”.

Quando il razzo espelle una massa di gas ad alta velocità verso il basso, riceve contemporaneamente una spinta nella direzione opposta, ovvero verso l’alto. Tutto ciò consente al dispositivo di “schizzare” in alto al di fuori dell’atmosfera. Questo processo prende il nome di propulsione per reazione. 

Il motore, infatti, non si appoggia a nulla per “spingere”, ma si muove nel vuoto grazie alla quantità di moto trasmessa ai gas espulsi. Come già accennato, il razzo è un sistema completamente autosufficiente: porta con sé tutto ciò che serve per generare la spinta, incluso l’ossigeno (sotto forma di ossidante), e di conseguenza può operare senza problemi nello Spazio profondo.

Come viene attivata la propulsione a reazione?

Come viene applicata nella pratica la terza legge della dinamica di Newton durante un lancio?

Si parte con l’introduzione dei propellenti nella camera di combustione. In questa fase, il combustibile e l’ossidante – due sostanze ad alta energia chimica – vengono miscelati e innescati. La reazione produce una grande quantità di gas caldi a elevata pressione. 

L’ambiente all’interno della camera è estremamente violento: le temperature possono raggiungere i 3000 °C, e le pressioni sono talmente elevate da richiedere materiali speciali e sofisticati sistemi di raffreddamento per evitare la fusione delle pareti.

I gas generati dalla combustione non rimangono intrappolati: vengono incanalati verso l’ugello, una struttura geometrica che serve ad accelerarli. Qui avviene la trasformazione dell’energia termica in energia cinetica direzionale. 

I gas, spinti dalla loro stessa pressione interna, si muovono verso la parte più stretta dell’ugello (la strozzatura), dove raggiungono la velocità del suono. Subito dopo, nella sezione divergente, l’espansione controllata li accelera fino a velocità supersoniche. L’uscita dei gas ad altissima velocità nella direzione opposta al moto del razzo genera una forza di reazione, cioè la spinta che lo solleva da terra.

Quali sono i componenti di un motore a razzo?

Abbiamo fin qui visto come funziona un motore a razzo: ora soffermiamoci su tutti i componenti che gli permettono di varcare i confini dell’atmosfera e spingersi verso lo spazio profondo.

Camera di combustione

Abbiamo già avuto modo di osservare come la camera di combustione sia il cuore pulsante del motore. In questo spazio ristretto, il combustibile e l’ossidante, immessi ad alta pressione, si mescolano e bruciano producendo una quantità enorme di gas caldi. 

Affinché la combustione sia efficace, nell’ambiente devono essere mantenute costanti determinate condizioni di pressione e temperatura, evitando punti freddi o caldi che potrebbero compromettere la stabilità del processo. 

A tal fine, la camera di combustione viene spesso integrata con sistemi di raffreddamento che usano il propellente stesso, ancora allo stato liquido, per assorbire il calore in eccesso dalle pareti interne e proteggerle così da stress termici estremi.

Ugello

Una volta prodotti, i gas caldi devono essere direzionati e accelerati per trasformare la loro energia termica in energia cinetica. È qui che entra in gioco l’ugello, che ha una forma particolare, detta convergente-divergente. All’interno dell’ugello, i gas iniziano il loro percorso accelerandosi nella parte stretta – lo “strozzamento” – fino a raggiungere la velocità del suono. Nella sezione successiva, quella divergente, vengono ulteriormente accelerati fino a diventare supersonici. 

Grazie alle funzionalità dell’ugello i gas saranno spinti all’esterno del motore a razzo ad altissima velocità generando la propulsione a reazione.

La sua forma e le dimensioni sono progettate in funzione dell’ambiente operativo: un motore che opera in alta atmosfera o nel vuoto avrà un ugello più largo e allungato, per permettere ai gas di espandersi in modo efficiente anche in assenza di pressione esterna.

Iniettori

Gli iniettori, posti all’ingresso della camera di combustione, hanno il compito di introdurre i propellenti liquidi e di miscelarli finemente affinché la combustione avvenga correttamente. La qualità della nebulizzazione dei liquidi influisce direttamente sulla stabilità della fiamma e sulla potenza erogata. 

Serbatoio

I serbatoi sono fondamentali per immagazzinare il combustibile e l’ossidante prima che questi vengano utilizzati. A seconda del tipo di propellente impiegato – liquido, gassoso o criogenico – i serbatoi sono costruiti con materiali differenti, spesso in leghe di alluminio o titanio, e progettati per resistere sia alla pressione interna sia alle variazioni termiche. 

Turbopompe

Per trasportare i liquidi dai serbatoi alla camera di combustione è necessario vincere la pressione interna del motore e quella dei serbatoi stessi. Per riuscire in questo intento si sfruttano le turbopompe. Si tratta di dispositivi sofisticati che combinano una turbina e una pompa centrifuga, le quali a loro volta vengono azionate da una piccola porzione di gas combusti derivati dal motore a razzo. 

Le turbopompe lavorano a regimi estremi: possono girare a decine di migliaia di giri al minuto e devono mantenere un flusso costante. Un loro malfunzionamento può compromettere l’intera missione, motivo per cui rappresentano uno degli elementi tecnici più complessi e critici del razzo.

Sistema di accensione

Nei motori a razzo a propellente liquido, l’accensione avviene attraverso un sistema che può essere pirotecnico (con piccole cariche esplosive), elettrico (con filamenti incandescenti) o, nei motori ipergolici, semplicemente grazie al contatto diretto tra i due propellenti che reagiscono spontaneamente senza bisogno di innesco. 

In alcuni motori particolarmente potenti o criogenici, si utilizzano sequenze complesse di preaccensione, con piccoli motori ausiliari che aiutano a stabilizzare il processo prima del pieno avvio.

Sistemi di raffreddamento

La combustione produce calore estremo, che rischierebbe di fondere o indebolire rapidamente i materiali della camera di combustione e dell’ugello. L’antidoto a tutto ciò è rappresentato dai sistemi di raffreddamento. 

Il più comune è quello “rigenerativo”, in cui uno dei propellenti (di solito il combustibile) viene fatto circolare in canali attorno alla camera e all’ugello, sottraendo calore prima di essere iniettato.

Quante tipologie di motore a razzo esistono?

I motori a razzo si distinguono in base alla tipologia di propellente utilizzato. Diamo allora un’occhiata a quelli più comuni.

• Motore a propellente solido

Il combustibile e l’ossidante sono premiscelati e solidificati in un blocco unico. La combustione viene innescata su tutta la superficie e non può essere interrotta. Questa categoria di motori a razzo viene utilizzata nella prima fase di lancio e caratterizza solitamente i booster laterali, come ad esempio quelli dello space shuttle.

• Motori a propellente liquido

I motori a propellente liquido utilizzano serbatoi separati per combustibile e ossidante, i quali vengono spinti nella camera di combustione tramite pompe ad alta pressione. Offrono maggiore controllo, poiché possono essere accesi e spenti più volte.

Questa tipologia di motore a razzo, a seconda del liquido utilizzato, si differenzia in:

• monopropellente: un singolo liquido (es. idrazina) decomposto da un catalizzatore;
• bipropellente: due liquidi separati (es. N₂O₄ e MMH) che reagiscono spontaneamente al contatto (sistemi ipergolici);
• criogenici: utilizzano gas liquefatti a bassissima temperatura, come ossigeno liquido (LOX) e idrogeno liquido (LH2). 

• Motori ibrdi

Nei motori ibridi il combustibile è solido e l’ossidante è liquido. In queste versioni la gestione del flusso e la stabilità della combustione sono più difficili da ottimizzare.

• Motori a gas freddo

Utilizzano gas compresso (ad esempio l’ azoto) che, espandendosi attraverso un ugello, produce una spinta modesta. Sono impiegati principalmente per controlli d’assetto e manovre di precisione nei satelliti e nelle navette spaziali.

• Propulsione elettrica (ionica e al plasma)

Sfruttano campi elettrici o magnetici per accelerare ioni o plasmi. Forniscono spinte deboli ma costanti , le quali risultano ideali in caso di missioni interplanetarie a lungo termine, dove il risparmio di propellente è prioritario.

Che velocità raggiunge un motore a razzo?

Per portare una navicella nell’orbita intorno alla Terra, il motore a razzo deve raggiungere la cosiddetta velocità orbitale, che nel caso dell’orbita bassa terrestre (LEO) è di circa 28.000 km/h. 

Per uscirne completamente ed entrare in una traiettoria interplanetaria, serve ancora più energia: la velocità di fuga dalla Terra è di circa 40.000 km/h. Per raggiungere tali obiettivi il motore consuma tonnellate di propellente in pochissimi minuti.

A che cosa servono i razzi?

Nell’immaginario comune, memori del celebre “Apollo 13” e dell’approdo dell’uomo sulla Luna, siamo portati a pensare che i razzi servano perlopiù per le esplorazioni spaziali. In realtà svolgono tantissime funzioni:

• portano in orbita i satelliti utili per le telecomunicazioni, la meteorologia e l’osservazione del pianeta Terra;
• trasportano le sonde interplanetarie, come Voyager e New Horizons, ovvero navicelle senza equipaggio che si occupano dell’esplorazione di pianeti lontani;
• sganciano satelliti che vengono utilizzati con scopi militari;
• trasportano gli equipaggi verso la stazione spaziale internazionale (ISS).

Tutti gli elementi fin qui elencati vengono definiti come il “carico utile” del razzo. Il payload viene posizionato nella parte superiore del razzo e protetto da una struttura aerodinamica chiamata ogiva o “fairing”. 

Questa protezione viene espulsa una volta raggiunta l’alta atmosfera, lasciando il carico libero di proseguire la sua missione. La progettazione del carico utile influisce direttamente sulla configurazione del razzo, poiché ne determina dimensioni, peso e distribuzione dei carichi.

L’endoscopia per il controllo delle camere di combustione dei motori a razzi

L’endoscopia industriale è una formidabile alleata nel settore aerospaziale. Nel caso specifico dei motori a razzo può velocizzare e semplificare le ispezioni relative alle camere di combustione.

Nei modelli più moderni, queste ultime dispongono già di “porti di borescopia”, ovvero di fori di accesso praticati solitamente vicino agli iniettori che permettono l’inserimento delle sonde. Queste ultime, una volta inserite, raggiungono facilmente le zone critiche come le pareti della camera, le turbine e i condotti di flusso. 

Durante le operazioni di manutenzione il tecnico muove manualmente l’endoscopio all’interno del motore per monitorare visivamente danni, crepe, erosione o presenza di corpi estranei. Tutto ciò, evita di dover smontare le diverse componenti per verificare la presenza di eventuali guasti. Inoltre, l’utilizzo delle sonde rende possibile effettuare i controlli con maggiore frequenza e di tenere sempre sotto controllo lo stato di usura delle camere.

Al tempo stesso gli endoscopi industriali sono utilissimi anche nelle fasi di assemblaggio dei motori a razzo. Infatti, consentono di monitorare la qualità delle saldature.

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