Lanciatori spaziali: componenti e funzionamento dei moderni razzi

Marco Giancola

Lanciatori

LANCIATORI

Di Marco Giancola

Il primo passo da affrontare per definire una strategia di immissione in orbita di un veicolo spaziale

è la scelta del lanciatore.

Un lanciatore (detto anche vettore) è composto da una struttura aerodinamica (paragonabile alla

fusoliera di un aereo), un sistema di propulsione (endoreattore), un sistema di guida ed il carico di

strumentazione, o altro, che prende il nome di carico pagante (payload) o carico utile. Tutti i

moderni razzi sono costruiti in modo che la loro struttura sia integrata con i serbatoi dei propellenti:

lo stesso cilindro d’acciaio, o d’alluminio, che contiene i propellenti è anche la struttura meccanica

attraverso la quale i motori del razzo trasmettono la spinta ed il carico è collocato sulla cima del

lanciatore (detta ogiva), sotto il cono terminale.

La scelta del lanciatore risulta condizionata da numerosi fattori, alcuni di tipo economico-politico,

altri di natura tecnico-progettuale, riguardanti cioè massa, volume e dimensionamento. Poiché le

esigenze sono spesso contrastanti, è necessario attuare una scelta di compromesso che riesca a

soddisfare il maggior numero possibile dei vincoli imposti.

Dicesi rapporto di massa il rapporto tra la massa del razzo in condizioni di lancio (propellenti e

carico pagante inclusi) e la massa del razzo a vuoto. Il vettore ideale dovrebbe avere un rapporto di

massa infinito: assolutamente tutto dovrebbe essere consumato nei motori e, da ultimi, persino i

motori stessi; soltanto il carico dovrebbe restare. Poiché il razzo ideale è ovviamente irrealizzabile, i

progettisti si sforzano di ottenere i rapporti di massa più elevati possibili; attualmente il limite è fra

20/1 e 25/1.

La tecnica di realizzare un lanciatore separandolo in due, tre o quattro segmenti distinti, detti stadi,

è un modo per aumentare il rapporto di massa. Quando uno stadio ha utilizzato tutto il suo

propellente, viene sganciato dal resto del vettore e lo stadio successivo viene attivato; dopo ogni

separazione, la massa del razzo diminuisce e la sua velocità aumenta. Inoltre, ciascuno di essi ha un

compito ben preciso: ci può essere uno stadio destinato al trasporto del carico utile, uno che gestisce

i trasferimenti orbitali, un altro ancora che gestisce la traiettoria al di fuori dell'orbita terrestre,

eccetera. In certi casi, tuttavia, non è possibile usare diversi stadi; ad esempio, a causa di una rampa

di lancio troppo piccola o magari della forma del veicolo che non lo consente (come lo Space

Shuttle della NASA). In questi casi, si utilizzano i booster (detti anche razzi ausiliari), che sono

piccoli razzi posizionati ai lati del vettore i quali, una volta esaurito il propellente, si staccano come

se fossero stadi. 1 Marco Giancola

Lanciatori

Un lanciatore si muove in accordo con il principio di azione e reazione: il suo moto è la reazione

alla fuoriuscita dei gas di scarico emessi dal propulsore. Vi sono tre indici principali che

caratterizzano la qualità del sistema di propulsione di un vettore: la spinta, l’impulso specifico e

l’impulso totale.

La spinta è la forza che spinge il razzo come reazione all’espulsione dei gas dal propulsore. Essa è

uguale al prodotto della massa di propellente combusto nell’unità di tempo per la velocità v

(rispetto al razzo) con la quale i gas sono emessi: dm (

t )

=

T v dt

essendo m(t) la massa del propellente combusto all’istante t. Ovviamente, tale forza deve essere

maggiore del peso totale del razzo per realizzare il distacco dal suolo.

L’impulso specifico caratterizza la potenza e l&rs