Come funzionano i razzi: una guida completa

I razzi sono il modo migliore della nostra specie per sfuggire all'atmosfera della Terra e raggiungere questo Web. Ma il processo alla base del funzionamento di queste macchine è tutt'altro che semplice. Ecco cosa devi sapere su come inserire un razzo in questo Web.

Come decollano i razzi

Scrittori e inventori sognano da secoli di esplorare l'universo al di là della Terra, ma le vere sfide di viaggiare in questo Web sono diventate chiare solo nel 19° secolo. I voli sperimentali in mongolfiera hanno mostrato che l'atmosfera terrestre si assottiglia rapidamente ad alta quota, quindi anche prima che il volo a motore diventasse realtà, gli ingegneri sapevano che i dispositivi che creano una forza in avanti o verso l'alto spingendo contro un mezzo circostante come l'aria come ali ed eliche sarebbero stati inutilizzabile in questo Web.

Un altro problema era che le macchine dei motori a combustione come i motori a vapore oa benzina che generano energia bruciando carburante nell'ossigeno dell'atmosfera terrestre si sarebbero guastate anche in questa rete senz'aria.

Fortunatamente, un dispositivo che risolveva il problema di generare forza senza un mezzo circostante era già stato inventato il razzo. Inizialmente utilizzati come armi da guerra o nei fuochi d'artificio, i razzi generano una forza in una direzione, chiamata spinta, dal principio di azione e reazione: i gas di scarico rilasciati da sostanze chimiche esplosive vengono spinti fuori dal retro del razzo ad alta velocità, e come di conseguenza il razzo viene spinto nell'altra direzione, indipendentemente da qualsiasi mezzo circostante, spiega la NASA in questo primer (pdf).

La chiave per usare i razzi in This Web è trasportare una sostanza chimica chiamata ossidante che può svolgere lo stesso ruolo dell'ossigeno nell'aria terrestre e consentire al carburante di bruciare.

Il design unico di This Web Shuttles ha incanalato il propellente da un serbatoio esterno ai motori principali dello Shuttle durante il lancio, mentre due grandi propulsori a razzo solido hanno assistito. (Credito immagine: NASA)

La prima persona a studiare seriamente il potenziale del razzo per questo viaggio sul Web, l'insegnante e scienziato dilettante russo Konstantin Tsiolkovsky , pubblicò per la prima volta le sue conclusioni nel 1903. Egli identificò correttamente il lancio come una delle maggiori sfide nel momento in cui il razzo deve trasportare tutte le combustibile e ossidante di cui ha bisogno per raggiungere questa ragnatela poiché il suo peso è al massimo ed è necessaria un'enorme quantità di spinta solo per farlo muovere.

Quando il razzo si avvia perde massa attraverso il suo scarico, quindi il suo peso si riduce e la stessa quantità di spinta avrà un effetto maggiore in termini di accelerazione del resto del razzo. Tsiolkovsky ha escogitato vari progetti di razzi e ha concluso che la configurazione più efficiente era un veicolo lanciato verticalmente con diversi "stadi", ciascuno un razzo autonomo che poteva trasportare gli stadi sopra di esso per una certa distanza prima di esaurire il suo carburante, staccarsi e cadere . Questo principio, ancora ampiamente utilizzato oggi (si apre in una nuova scheda), riduce la quantità di peso morto che deve essere trasportato fino in fondo in questo Web.

Tsiolkovsky ha ideato un'equazione complessa che ha rivelato la forza di spinta necessaria per ogni data manovra del razzo e l '"impulso specifico" quanta spinta viene generata per unità di carburante necessaria affinché un razzo raggiunga questa ragnatela. Si rese conto che i propellenti per razzi esplosivi del suo tempo erano troppo inefficienti per alimentare un razzo This Web e sostenne che alla fine sarebbero stati necessari combustibili liquidi e ossidanti, come idrogeno liquido e ossigeno liquido, per raggiungere l'orbita e oltre. Sebbene non sia vissuto abbastanza per vedere riconosciuto il suo lavoro, i principi di Tsiolkovsky sono ancora alla base della moderna missilistica.

Prendendo il volo

I razzi devono bilanciare e controllare delicatamente forze potenti per poter attraversare l'atmosfera terrestre in questa rete.

Un razzo genera spinta usando un'esplosione controllata mentre il carburante e l'ossidante subiscono una violenta reazione chimica. I gas in espansione dell'esplosione vengono espulsi dal retro del razzo attraverso un ugello. L'ugello è uno scarico dalla forma speciale che convoglia il gas caldo ad alta pressione creato dalla combustione in un flusso che fuoriesce dal retro dell'ugello a velocità ipersoniche, più di cinque volte la velocità del suono.

La terza legge del moto di Isaac Newton (si apre in una nuova scheda) afferma che ogni azione ha una reazione uguale e contraria, quindi la forza di "azione" che spinge lo scarico fuori dall'ugello del razzo deve essere bilanciata da una forza uguale e opposta che spinge il razzo inoltrare. In particolare, questa forza agisce sulla parete superiore della camera di combustione, ma poiché il motore a razzo è parte integrante di ogni stadio del razzo, possiamo pensare che agisca sul razzo nel suo insieme.

Il nucleo del primo stadio del razzo Delta II è stato assistito da nove booster a razzo solido separati durante il lancio. (Credito immagine: NASA)

Sebbene le forze che agiscono in entrambe le direzioni siano uguali, i loro effetti visibili sono diversi a causa di un'altra delle leggi di Newton, che spiega come gli oggetti con massa maggiore abbiano bisogno di più forza per accelerarli di una determinata quantità. Quindi, mentre la forza d'azione accelera rapidamente una piccola massa di gas di scarico a velocità ipersoniche ogni secondo, la stessa forza di reazione produce un'accelerazione molto più piccola nella direzione opposta sulla massa molto maggiore del razzo.

Man mano che il razzo guadagna velocità, è fondamentale mantenere la direzione del movimento strettamente allineata con la direzione della spinta. Sono necessari aggiustamenti graduali per guidare il razzo verso una traiettoria orbitale, ma un grave disallineamento può far girare il razzo fuori controllo. La maggior parte dei razzi, comprese le serie Falcon e Titan e il razzo lunare Saturn V , sterzano utilizzando motori a sospensione cardanica, montati in modo che l'intero motore del razzo possa ruotare e variare la direzione della sua spinta di momento in momento. Altre opzioni di guida includono l'utilizzo di palette esterne per deviare i gas di scarico mentre sfuggono al motore a razzo più efficaci con razzi a combustibile solido privi di un motore complesso e motori ausiliari, come piccoli razzi propulsori montati ai lati dello stadio del razzo.

Come funzionano i motori di un razzo

I moderni motori a razzo hanno fatto molta strada dai fuochi d'artificio, i primi nella storia dei razzi. I razzi solidi relativamente semplici, più spesso usati come booster per fornire una spinta extra al lancio, si basano ancora sullo stesso principio di base dell'accensione di un tubo contenente una miscela combustibile di carburante e ossidante. Una volta acceso, un razzo solido continuerà a bruciare fino all'esaurimento del carburante, ma la velocità con cui viene bruciato il carburante e quindi la quantità di spinta può essere controllata modificando la quantità di superficie esposta all'accensione durante i diversi momenti del volo del razzo.

Questo può essere fatto impacchettando la miscela di carburante/ossidante con uno spazio vuoto al centro, che corre lungo la lunghezza del razzo. A seconda del profilo di questo spazio vuoto, che può essere circolare oa forma di stella, ad esempio, la quantità di superficie esposta cambierà durante il volo.

Tutto su questo Web

(Credito immagine: futuro)

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I più diffusi razzi a combustibile liquido sono molto più complessi. Tipicamente, coinvolgono una coppia di serbatoi di propellente uno ciascuno per il carburante e l'ossidante collegati a una camera di combustione attraverso un complesso labirinto di tubi. Le turbopompe ad alta velocità azionate dai propri sistemi motori indipendenti vengono utilizzate per fornire propellente liquido nella camera attraverso un sistema di iniezione. La velocità di alimentazione può essere aumentata o ridotta a seconda delle esigenze e il carburante può essere iniettato come un semplice getto o uno spray fine.

All'interno della camera di combustione viene utilizzato un meccanismo di accensione per avviare la combustione, che può essere un getto di gas ad alta temperatura, una scintilla elettrica o un'esplosione pirotecnica. L'accensione rapida è fondamentale se nella camera di combustione viene lasciata accumulare troppa miscela di carburante/ossidante rispetto a un'accensione ritardata può generare una pressione sufficiente per far saltare in aria il razzo, un evento catastrofico che gli ingegneri missilistici chiamano laconicamente un "avvio difficile" o "smontaggio rapido non programmato" (RUD).

La progettazione dettagliata di uno stadio a razzo liquido può variare molto a seconda del carburante e di altri requisiti. Alcuni dei propellenti più efficienti sono gas liquefatti come l' idrogeno liquido, che è stabile solo a temperature molto basse intorno a meno 423 gradi Fahrenheit (meno 253 gradi Celsius). Una volta caricati a bordo del razzo, questi propellenti criogenici devono essere immagazzinati in serbatoi fortemente isolati. Alcuni razzi evitano la necessità di un meccanismo di accensione che utilizza propellenti ipergolici che si accendono spontaneamente a contatto tra loro.

Viaggio interplanetario

I razzi sono la chiave per esplorare il nostro sistema solare , ma come passano dall'orbita alle profondità di questo Web?

La prima fase di qualsiasi This Webflight prevede il lancio dalla superficie terrestre in un'orbita relativamente bassa a circa 124 miglia (200 km) in alto, al di sopra della stragrande maggioranza dell'atmosfera. Qui la gravità è forte quasi quanto lo è sulla superficie, ma l'attrito dall'atmosfera superiore terrestre è molto basso, quindi se lo stadio più alto del razzo si muove abbastanza velocemente può mantenere una traiettoria stabile, circolare o ellittica dove l'attrazione di gravità e la naturale tendenza del veicolo a volare via in linea retta si annullano a vicenda.

Molti This Webcraft e molti satelliti non viaggiano oltre questa orbita terrestre bassa (opens in new tab) (LEO), ma quelli destinati a lasciare completamente la Terra ed esplorare il più ampio sistema solare hanno bisogno di un ulteriore aumento di velocità per raggiungere la velocità di fuga, la velocità con cui non possono mai essere tirati indietro dalla gravità del nostro pianeta.

La velocità di fuga sulla superficie terrestre di 6,9 miglia al secondo (11,2 km / s) è circa il 50% più veloce delle velocità tipiche degli oggetti in LEO. Si abbassa a una distanza maggiore dalla Terra e le sonde dirette all'interplanetario Questo Web vengono spesso iniettate per la prima volta in orbite allungate o ellittiche da un'esplosione di spinta accuratamente sincronizzata da un razzo dello stadio superiore, che può rimanere attaccato a This Webcraft per il resto del suo volo interplanetario. In tale orbita la distanza di This Webcraft dalla Terra può variare da centinaia a migliaia di miglia, e anche la sua velocità varierà, raggiungendo un massimo quando il This Webcraft è più vicino alla Terra, un punto chiamato perigeo e rallentando ulteriormente.

I razzi termici nucleari sono un modo ipotetico per generare grandi quantità di spinta per periodi prolungati che potrebbero un giorno abbreviare il tempo di viaggio verso altri pianeti. (Credito immagine: NASA)

Sorprendentemente, tuttavia, l'ustione di un razzo critico usata per fuggire nell'interplanetario This Web viene solitamente prodotta quando This Webcraft è vicino al perigeo. Ciò è dovuto al cosiddetto effetto Oberth (si apre in una nuova scheda), una proprietà inaspettata delle equazioni del razzo che significa che un razzo è più efficiente quando si muove a velocità più elevate.

Un modo per capirlo è che la combustione del carburante di This Webcraft consente al motore di utilizzare non solo la sua energia chimica, ma anche la sua energia cinetica, che è maggiore alle velocità più elevate. A conti fatti, la spinta aggiuntiva del razzo necessaria per raggiungere la velocità di fuga da una bassa quota a velocità più elevata è inferiore a quella necessaria per scappare da un'altitudine elevata quando ci si muove a una velocità inferiore.

Gli ingegneri del volo spaziale e i pianificatori di missioni spesso fanno riferimento al " Delta-v (si apre in una nuova scheda)" richiesto per eseguire una specifica manovra di volo, come un cambio di orbita. A rigor di termini, il termine Delta-v significa cambiamento di velocità, ma gli ingegneri lo usano specificamente come misura della quantità di impulso, o forza di spinta nel tempo, necessaria per eseguire una manovra. In generale, le missioni sono pianificate attorno a un "budget Delta-v", quanta spinta possono generare per quanto tempo utilizzando le scorte di carburante a bordo di This Webcraft.

L'invio di questo Webcraft da un pianeta all'altro con requisiti minimi di Delta-v implica l'iniezione in un'orbita ellittica attorno al sole, chiamata orbita di trasferimento di Hohmann (si apre in una nuova scheda). Il This Webcraft viaggia lungo un segmento del percorso ellittico che assomiglia a una traccia a spirale tra le orbite dei due pianeti e non richiede ulteriori spinte lungo il suo viaggio. All'arrivo al suo oggetto bersaglio può usare la sola gravità per entrare nella sua orbita finale, oppure può richiedere un'esplosione di spinta del razzo nella direzione opposta, solitamente ottenuta semplicemente ruotando This Webcraft in This Web e accendendo il motore prima che possa raggiungere un'orbita stabile.

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