Come funziona un propellente per lanci spaziali?

Il lancio di un razzo o di un missile avviene sprigionando enormi quantità di gas, attraverso reazioni chimiche di combustione generate dai propellenti. Che tipo di sostanze vengono utilizzate come propellenti?

white smoke of a space craft
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Il lancio di un velivolo nello spazio è sempre un momento emozionante e allo stesso tempo particolarmente complesso dal punto di vista tecnologico. I velivoli spaziali si staccano da terra grazie a motori a razzo (più correttamente endoreattori) che sfruttano la combustione di propellenti e la loro espulsione attraverso un ugello gasdinamico; per il principio di azione e reazione (terzo principio della dinamica di Newton) ne consegue una spinta nel verso opposto a quello della fuoriuscita del gas, che permette il decollo.

È facile immaginare che il propellente debba sviluppare una quantità di energia enorme per permettere di vincere la gravità e lanciare un oggetto nello spazio e di conseguenza si tratta di un materiale (o una miscela) che deve rispondere ad una serie di prerogative ben determinate per poter essere utilizzato in modo efficace. La ricerca in questo campo (spinta soprattutto dalla richiesta di razzi sempre più precisi in ambito militare) ha fatto dei notevoli passi avanti sia dal punto di vista dell’efficienza che da quello della sicurezza e sostenibilità dei propellenti. Attualmente tutte le navicelle spaziali utilizzano motori a reazione chimica per il lancio, questi si distinguono in bipropellenti e propellenti solidi.

Bipropellenti e Propellenti Solidi

low angle photography of rocket
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I bipropellenti sono un tipo di propellente formato da un ossidante e un combustibile, solitamente in fase liquida, tenuti separati fino all’ingresso in camera di combustione. Il comburente solitamente è ossigeno liquido, mentre il combustibile può essere Kerosene speciale (RP-1) come quello usato dai razzi FALCON 9 di SPACE X o dal primo stadio del SATURN V usato per le missioni spaziali del programma Apollo. Il secondo e il terzo stadio del SATURN V invece usavano idrogeno come combustibile, anche in questo caso quindi un bipropellente. 

Il propellente solido è un materiale energetico in grado di autosostenere la combustione in quanto contiene all’interno di sé sia combustibile che comburente. In un trattato militare cinese del XIV secolo viene illustrato e descritto il primo propellente solido usato per il lancio di razzi, che servirono a difendere la città di Kaifeng dall’attacco dei mongoli. Oggi i propellenti solidi più comuni sono dei materiali compositi, come quello usato dal Solid Rocket Booster, in sigla SRB, il razzo che forniva l’83% della spinta allo Space Shuttle durante la fase di decollo. La sua formulazione contiene alluminio (Al) in polvere come combustibile, ammonio perclorato (AP) NH4ClO4 come comburente (ossidante) e poliuretani come binder o più semplicemente plastificanti. Gli SRBs sono i razzi più potenti che siano mai stati lanciati. Propellenti simili vengono utilizzati per i lanci dei razzi ARIANE V. 

L’AP però, in seguito alla combustione, origina acido cloridrico (HCl). Ad ogni lancio di un Ariane V vengono rilasciate 270 tonnellate di HCl nell’atmosfera! Diverse sostanze alternative vengono usate come comburenti in ambito militare (ciclotetrametilentetranitroammina HMX e ciclotrimetilentrinitroammina RDX sono i più comuni) ma il loro prezzo elevato e il fatto che siano particolarmente pericolosi da trasportare non li rendono attraenti nel campo dei lanci spaziali. Negli anni 70’ in URSS venne sviluppato l’ADN (Ammonio dinitrammide) come ossidante smoke-free, questa sostanza dà un impulso maggiore dell’AP, ma anche in questo caso, essendo troppo sensibile a urti e temperatura rischia di causare esplosioni non controllate. 

Oltre alla ricerca di metodi per poter usare l’ADN in sicurezza e la sintesi di ossidanti smoke-free alternativi, di recente sono stati proposti i propellenti liquidi gelificati, in modo tale da avere un propellente con una bassa tensione di vapore e ridurre il rischio di accensione accidentale. Il propellente gelificato si comporta come un propellente solido in deposito e come un propellente liquido in uso.

Un propellente solido è utilizzato negli airbag, in questo caso la reazione di ossidoriduzione genera un gas ma non genera una grande quantità di calore e quindi può essere controllata meglio. In passato il propellente era costituito da azoturo di sodio NaN3.

red and yellow hatchback axa crash tests
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Propellenti per il Reaction Control System

Fino ad ora ci siamo soffermati sul lancio, ma una navicella spaziale o una sonda hanno bisogno di compiere manovre addizionali una volta immesse in orbita o lanciate nello spazio, come ad esempio gli agganci fra navicelle o piccole variazioni di assetto.  Per questo tipo di manovre esistono motori appositi che costituiscono il Reaction Control System (RCS) i quali in generale sfruttano monopropellenti o la propulsione elettrica, generando una spinta di diversi ordini di grandezza inferiore rispetto ai propulsori chimici precedentemente descritti.

I monopropellenti sono delle sostanze che generano un gas decomponendosi, il più utilizzato in campo spaziale è l’idrazina (N2H4), la cui decomposizione è catalizzata dall’Iridio. In ambito militare i missili tedeschi V-2 ed americani Redstone, usati durante la seconda guerra mondiale, utilizzavano perossido d’idrogeno (H2O2 acqua ossigenata) la cui decomposizione è catalizzata dal platino o dall’ossido di manganese.

Per quanto riguarda i propulsori elettrici tipicamente usano molto meno propellente dei razzi chimici perché hanno una velocità di scarico più alta. A causa della limitata potenza elettrica la spinta è molto più debole rispetto ai razzi chimici e non possono essere utilizzati per il lancio di carichi notevoli, tuttavia la Russia ha adottato propulsori elettrici sui propri satelliti per decenni. La propulsione elettrica ha però il vantaggio di poter fornire una piccola spinta per lungo tempo, raggiungendo velocità elevate per lunghi periodi e quindi funzionando potenzialmente meglio dei razzi chimici per missioni future nello spazio interstellare. 

3 pensieri riguardo “Come funziona un propellente per lanci spaziali?

  • 20 Dicembre, 2019 in 4:19 pm
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    E’ tutto molto bello e verificabile qui sulla Terra: non credo affatto nello Spazio (missioni interplanetarie, Luna, Marte… e più in vicinanza, la mirabolante Stazione ISS. Poiché i LIMITI Umani e poi quelli Fisici, sono ampiamente noti, escludendo le Teorie Indimostrate, propongo alcune semplici riflessioni. E’ detto e scritto che Jurij Gagarin (1961) fu il primo cosmonauta della Storia. A bordo dello Sputnik: una boccia (simile a una palla di cannone) con un grande oblò in vetro da cui Gagarin poteva osservare la terra da un’altitudine compresa tra 300 e 180 km. Tale “boccia” fu accelerata sino a raggiungere 27.400 km/h, compiendo un’orbita completa attorno al pianeta per poi “cadere”, ma guarda caso, proprio sul Campo Volo dove si addestrava il Paracadutista Gagarin che, prima dell’impatto al suolo, apriva il portellone lanciandosi fuori e quindi azionava il paracadute :-O Evidentemente a quel tempo non si conosceva l’Attrito dell’aria a quella velocità che di conseguenza NON esisteva: si poteva quindi volare a 7,6 km/s avendo come “schermo” un oblò di vetro. L’orbita geostazionaria della Terra è anche chiamata Fascia di Clarke dal nome di Arthur C. Clarke, scrittore di fantascienza famoso soprattutto per essere l’autore di un racconto intitolato “La sentinella” da cui nacque il film 2001: Odissea nello spazio. La quota dell’orbita geostazionaria è fissa e deriva dal fatto che orbite a quote diverse hanno periodi di rivoluzione diversi, sempre più lunghi man mano che ci si allontana dal pianeta. L’orbita con un periodo di rivoluzione pari a 23 ore, 56 minuti e 4,09 secondi (un giorno siderale) si trova ad un’altitudine di 35.790 km e un satellite che la percorre si muove a circa 3 km/s, pari a 11.000 km/h. Tali Satelliti sono “trascinati in rotazione” direttamente dal moto Terrestre: ovvero senza Motori o Razzi. Dunque, con che cosa “viaggerebbe” la Stazione ISS e Tutti i fantomatici Satelliti Spia??? Ovvero, con che tipo di Motori e Propellenti volerebbero??? Il Mistero è ancora aperto, soprattutto a quote risibili quali 375 km di altitudine. E’ bene precisare che i dati pubblicati dalla NASA e varie Agenzie Spaziali, sulla Velocità Orbitale di detti Satelliti e Stazioni, curiosamente riportano il medesimo dato riferibile a Gagarin 27.400 km/h = 7,6 km/s. Nel presente articolo, non c’è alcun cenno ai Sistemi di Guida di queste fantomatiche Navicelle Orbitali, tantomeno sui sistemi di Rallentamento/Freno dopo aver raggiunto la “Velocità di Accelerazione”. Un Missile, una volta impostata la traiettoria NON può più essere corretto; viceversa per i Cruise e Droni, che sono Aeroplani, sono Radioguidati da stazioni installate su aerei che volano nelle “vicinanze” poiché anche le Onde Radio sono soggette a Limiti di Propagazione, Interferenze e Rumore di Fondo. Poiché il Sistema Solare NON è eliocentrico, come facilmente dismotrabile e già dimostrato scientificamente. Poiché le velocità orbitali nello Spazio 3D riporta per la Terra 107.210 km/h, = 29,78 km/s approssimativamente possiamo supporre un’analoga velocità anche degli altri pianeti. Quindi a che velocità e con quale sistema di navigazione potrebbe viaggiare una sonda??? Sappiamo che lo Spazio è molto freddo anche nell’ordine di -150°C: con quali componenti sarebbero realizzati gli elettroliti delle Batterie e poi ricaricate da che cosa??? L’unico dato certo è l’incredibile, quanto astronomica, SPESA per il contribuente pubblico che guarda beota i “filmini” realizzati tutti alla computer grafica cui hanno inondato il mondo, dimentica che senza l’apporto del più grande Genio della Storia – Nikola Tesla – saremmo ancora qui con i Motori a Vapore: altro che andare e venire dalla Luna, piuttosto che le stucchevoli passeggiate nello spazio con chiavi inglesi in mano o di cessi che si sono intasati sulla stazione ISS 🙁
    Tutto questo non è Scienza, bensì Fantascienza… comunque la si voglia intendere 🙂

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    • 20 Dicembre, 2019 in 9:40 pm
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      Guardi, le rispondo molto semplicemente. Se lei si sia mai preso l’impegno di studiare i fenomeni che cita, non giungerebbe a queste fallace conclusioni, fallace non ai miei occhi ma rispetto a quanto la natura ci insegna tramite l’esperienza. Capisco la mancanza di voglia, è impegnativo, ma doveroso se si vuole esprimere un giudizio sensato.

      Lei si chiede come mai Gagarin sia riuscito ad eiettarsi dalla Vostok. Siamo d’accordo nell’affermare che è impensabile che si possa essere eiettato ad una velocità di 7,6 km/s ed infatti non si è eiettato a tale velocità, ma a velocità molto inferiori. Cosa le fa affermare che si sia eiettato alla velocità orbitale? Mal informazione probabilmente. Scarse conoscenze di meccanica orbitale.
      La navicella, che si muoveva a 7,6 km/s ad una quota dove l’aria è molto rarefatta, (quella da lei espressa) e dove dunque esercita un attrito viscoso irrisorio, è stata posta in una traiettoria di rientro (subendo un’accelerazione con dei retrorazzi), che ha modificato la traiettoria da “ellittica” a “parabolica”, in caduta libera. Parliamo di pochi deltaV di velocità, ma sufficienti per far sì che la traiettoria attraversi strati sempre più densi di atmosfera e dunque che la navicella subisca un attrito viscoso sempre più elevato, in grado di decellelarla fino a velocità subsoniche. Come immagino lei sappia, la forza d’attrito viscoso dipende, oltre che dalla densità del fluido anche dal quadrato della velocità. Dunque per altitudini via via inferiori si farà inizialmente più intensa e poi più debole, poiché la velocità è diminuita (una semplice equazione differenziale può essere usata per descrivere il problema).
      Bisogna notare che la navicella era rivestita di uno strato di materiale ablativo che veniva consumato durante la fase più pericolosa del rientro, e che contribuiva a dissipare l’energia termica prodotta dall’attrito (mezzo con cui la navicella dissipa la propria energia cinetica). Gagarin non aveva l’oblò diretto nella direzione del moto.

      Il moto orbitale, senza tirare in ballo il modello della relatività di Einstein, dunque stando alle conoscenze di meccanica classica, è dovuto all’azione di due forze: forza centrifuga e forza centripeta che si controbilanciano annullandosi. Nello spazio, in presenza di forze d’attrito in prima approssimazione trascurabili, continua a valere il primo principio della dinamica, a cui seguono i principi di conservazione del momento e dell’energia. Non è la Terra nel suo roteare che “trascina” dietro di se i satelliti in orbita, ma un fenomeno semplice che viviamo sempre e quotidianamente nella nostra vita di tutti i giorni. Dunque non c’è nessun mistero su propellenti e sistemi propulsivi, ma veramente fisica di base,che è la stessa che è venuto a citare ad inizio del suo commento!

      Essendo la forza gravitazionale dipendente dal quadrato della distanza fra i corpi in questione (nel caso di un moto orbitale, l’altitudine dell’orbita sommata al raggio medio terrestre) e la forza centrifuga dipendente linearmente da tal distanza, fa sì che la velocità orbitale sia definita come funzione dell’altitudine. Motivo per cui molti oggetti che si trovano ad orbitare ad altitudini simili si trovano ad orbitare a velocità simili approssimabili tutte alla stessa, soprattutto se l’ultima cifra è quella delle centinaia di metri al secondo! Nessun mistero! Ad altitudini molto maggiori tale velocità diminuisce.
      Del resto, ciò dovrebbe esserle chiaro, dato che lo ha anche affermato nel citare in questione l’orbita geosincrona, eppure non sembra.
      Ovviamente quanto le ho detto è basato partendo con gradi di approssimazione abbastanza elevati che all’atto pratico non sempre bastano per riuscire nel proprio scopo, ma sono abbastanza semplici per essere inizialmente compresi e costituiscono un ottimo nocciolo su cui poi applicare descrizioni di fenomeni che svincolano il problema dalle ipotesi più semplificative
      Ad esempio per stimare correttamente un’orbita è necessario avere una conoscenza accurata dell’ellissoide di inerzia del corpo celeste, che fa cadere l’ipotesi di poter considerare la sorgente del campo gravitazionale come puntiforme e descritta da superfici equipotenziali sferiche. Ciò è necessario poiché le irregolarità del corpo fanno sì che il satellite sia soggetto a forze inerziali atte a modificare (molto lentamente e poco alla volta) l’orbita, con effetti che al lungo periodo possono essere problematici.

      Motivo per cui anche intorno a corpi privi di atmosfera è necessario dover correggere l’assetto. Quindi non è solo il debolissimo attrito con l’aria ad alta quota che frena e porta le orbite dei satelliti a decadere, ma è anche l’azione stessa della gravità, non essendo omogenea come proposto nei modelli più ideali.
      SIcuramente un mistero per Lei, che sicuramente prima di venir ad affermare con sicurezza che ci sono cose che non quadrano, dovrebbe prima avere un quadro più chiaro degli argomenti che vuole trattare.

      Un altro esempio solo le orbite circolari. Sono solo un caso particolare di orbite ellittiche. Per una descrizione più approfondita dei vari tipi di orbite in generale si analizza l’energia meccanica specifica dell’orbita che tiene conto dei parametri gravitazionali e cinetici.

      Senz’altro parte delle Invenzioni di Tesla hanno contribuito, dando i primi input per lo sviluppo dei sistemi di telecomunicazione, ma non mi risulta che i suoi brevetti abbiano contribuito nella progettazione e realizzazione degli endoreattori dei razzi, per quanto lui si sia spinto anche nel campo della fluidodinamica (turbina e valvola di Tesla).

      Le suggerisco qualche altro articolo in cui trattiamo quanto citato:

      Come funziona la propulsione nei razzi:
      https://www.cronachedalsilenzio.it/2017/08/18/a-tutto-plasma-parte-i/
      Un po’ di termodinamica per gli endoreattori: https://www.cronachedalsilenzio.it/2018/10/12/quantera-potente-il-motore-del-saturn-v/
      Un po’ di ABC di meccanica orbitale: https://www.cronachedalsilenzio.it/2017/02/25/latterraggio-del-primo-stadio-del-falcon9-rivoluzione-nel-modo-di-concepire-le-missioni-spaziali/
      Cercando nella nostra sezione: “Astronautica” può trovare altri articoli sull’argomento.

      Io mi porrei il dubbio se non sia dunque ciò che crede di sapere a riguardo la “Fantascienza”.
      A buon rendere.

      Risposta
  • 21 Dicembre, 2019 in 10:35 am
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    E’ fuor di dubbio che lei non sia un Aviatore: se lo fosse non “snocciolerebbe” il Catechismo Scientifico. Si vada a rileggere gli esperimenti noti come Progetto X15 (https://aerospacecue.it/x-15-laereo-piu-veloce-mai-pilotato/12563/). Gettarsi fuori da un abitacolo in caduta accelerata, foss’anche a 800 km/h= 222 mt/s, a meno di essere eiettati, è impossibile!!!! Ma già: lei non vola e quindi parla per sentito dire 🙁
    Poiché NON ha rispoto alle osservazioni riguardo allo “smaltimento della velocità” (frenata) le ripropongo la questione, poiché mi basta un solo elemento cui lei non sappia dare conto per minare l’intero castello teoretico cui lei è pervicacemente aggrappato.
    Dopo Gagarin le capsule furono dotate di uno “scudo termico” capace di restire alle altissime temperature da attrito con l’atmosfera (ragione per cui è rarissimo che ci cada in testa un meteorite più grande di una noce di cocco). Nel Catechismo Scientifico è scritto che le temperature che si sviluppano per attrito, raggiungono e superano anche 6.000°C: di quali materiali sarebbe composto lo scudo termico??? Il Carbonio ha il più alto grado di fusione 3.499,85 °C … mentre il diossido di Silicio è a 1.600°C l’acciaio tra 1.300 e 1.600 °C … i Satelliti o le cosiddette “Stazioni Orbitali” in caduta libera, si sono tutti disintegrati con l’ingresso in atmosfera. Lei cita Razzi Frenanti, ma non dice dove e quanto sarebbero grandi i serbatoi del combustibile necessario a “frenare-rallentare”: gli aerei di linea, appena posano le ruote sulla pista, invertono la Spinta delle Turbine per riuscire a frenare dalla velocità di circa 350-400 km/h… Ovviamente non è il caso delle Capsule che come per tutto ciò che vola, debbono essere Leggere sin dalla Partenza. Il Catechismo Scientifico parla di circa 3,5 min di totale “silenzio” anche delle radio-comunicazioni, dovuto all’interferenza Calorica. Come giustifica il fatto che appena qualche centimetro dietro lo “scudo termico” possa esserci una temperatura accettabile nell’abitacolo??? E’ forse stato in una qualche Fonderia? Ha provato a verificare a che distanza si riesce a stare da una fonte di calore di soli 800°C??????
    Su Nikola Tesla, ecco qui dimostrato il suo scientismo: se avesse congnizioni di Elettronica ed Elettrotecnica, saprebbe che senza il Genio di Tesla, non avremmo potuto sviluppare quei Principi, Modelli e Soluzioni ampiamente dimostrati e preconizzati da quell’Uomo che non è mai stato un accademico, tantomeno un Ingegnere specialistico, poiché non esisteva questa specializzazione prima di lui. Persino il motore termico (a scoppio) senza la Bobina di Tesla e lo Spark-Plug (candela) non avrebbe visto lo sviluppo che poi ha avuto.
    Nel mio precedente post, proponevo riflessioni su FATTI TUTTI NASCOSTI e propagandati senza contraddittorio, per presunte Sicurezze Nazionali. I laboratori, gli appunti e gli scritti di Tesla furono arbitrariamente sequestrati dall’FBI: se solo avessero compreso, ancora oggi, che cosa ci ha lasciato non staremmo certo qui a discutere di F.E.R. (fonti energetiche rinnovabili) poiché come DIMOSTRATO, l’accesso all’Energia (elettrica in questo caso) sarebbe “cosa alla portata di tutti”.
    Ricambio i suoi consigli: vada a studiare, ma soprattutto Sperimenti e Verifichi le belle Teorie di cui s’ammanta 😉
    N.B. Tra gli altri attestati ho anche il brevetto aeronautico 😉
    Buon Natale

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