Come funzionano i razzi

I razzi a propellente solido includono tutti i razzi pirotecnici più vecchi, tuttavia ora ci sono carburanti, design e funzioni più avanzati con propellenti solidi.

I razzi a propellente solido furono inventati prima dei razzi a propellente liquido. Il tipo a propellente solido è iniziato con il contributo degli scienziati Zasiadko, Constantinov e Congreve. Ora in uno stato avanzato, i razzi a propellente solido rimangono oggi ampiamente utilizzati, inclusi i motori a doppio booster Space Shuttle e le fasi di richiamo della serie Delta.

Come funziona un propellente solido

La superficie è la quantità di propellente esposta alle fiamme della combustione interna, esistente in una relazione diretta con la spinta. Un aumento della superficie aumenterà la spinta ma ridurrà il tempo di combustione poiché il propellente viene consumato a una velocità accelerata. La spinta ottimale è tipicamente costante, che può essere ottenuta mantenendo una superficie costante durante l'ustione.

Esempi di progetti con venature superficiali costanti includono: bruciatura dell'estremità, combustione interna e interna esterna e combustione interna a stella.

Varie forme sono utilizzate per l'ottimizzazione delle relazioni tra grano e spinta poiché alcuni razzi potrebbero richiedere una componente di spinta inizialmente elevata per il decollo, mentre una spinta inferiore sarà sufficiente per i requisiti di spinta regressivi post-lancio. I motivi a chicco di grano complicato, nel controllo della superficie esposta del carburante del razzo, hanno spesso parti rivestite con una plastica non infiammabile (come acetato di cellulosa). Questo strato impedisce alle fiamme della combustione interna di accendere quella parte di combustibile, accesa solo in seguito quando l'ustione raggiunge direttamente il combustibile.

Impulso specifico

Nella progettazione del propellente del razzo, è necessario tenere conto dell'impulso specifico del grano poiché può trattarsi del fallimento della differenza (esplosione) e di una spinta ottimizzata con successo che produce razzo.

Razzi moderni a combustibile solido

Vantaggi e svantaggi

• Una volta che un razzo solido viene acceso, consuma tutto il suo combustibile, senza alcuna opzione di arresto o regolazione della spinta. Il razzo lunare di Saturno V utilizzava quasi 8 milioni di libbre di spinta che non sarebbero state fattibili con l'uso di propellente solido, richiedendo un propellente liquido ad alto impulso specifico.
• Il pericolo legato ai carburanti premiscelati dei razzi monopropellenti, cioè a volte la nitroglicerina è un ingrediente.

Un vantaggio è la facilità di immagazzinamento di missili a propellente solido. Alcuni di questi razzi sono piccoli missili come Honest John e Nike Hercules; altri sono grandi missili balistici come Polaris, Sergeant e Vanguard. I propellenti liquidi possono offrire prestazioni migliori, ma le difficoltà di stoccaggio e manipolazione dei propellenti di liquidi vicino allo zero assoluto (0 gradi Kelvin) hanno limitato il loro uso, incapace di soddisfare i severi requisiti richiesti dai militari alla sua potenza di fuoco.

I razzi a propellente liquido furono teorizzati per la prima volta da Tsiolkozski nella sua "Ricerca sullo spazio interplanetario per mezzo di dispositivi reattivi", pubblicata nel 1896. La sua idea fu realizzata 27 anni dopo quando Robert Goddard lanciò il primo razzo a propellente liquido.

I razzi alimentati a liquido hanno spinto i russi e gli americani in profondità nell'era spaziale con i potenti razzi Energiya SL-17 e Saturno V. Le elevate capacità di spinta di questi missili hanno permesso ai nostri primi viaggi nello spazio. Il "grande passo per l'umanità" che ebbe luogo il 21 luglio 1969, quando Armstrong salì sulla luna, fu reso possibile dagli 8 milioni di libbre di spinta del razzo Saturno V.

Come funziona un propellente liquido

Due serbatoi metallici contengono rispettivamente il combustibile e l'ossidante. A causa delle proprietà di questi due liquidi, in genere vengono caricati nei loro serbatoi appena prima del lancio. I serbatoi separati sono necessari, perché molti combustibili liquidi bruciano al contatto. Dopo una sequenza di lancio impostata, due valvole si aprono, consentendo al liquido di fluire lungo la tubazione. Se queste valvole si aprissero semplicemente permettendo ai propellenti liquidi di fluire nella camera di combustione, si verificherebbe una velocità di spinta debole e instabile, quindi viene utilizzata un'alimentazione di gas in pressione o una turbopompa.

Il più semplice dei due, l'alimentazione del gas in pressione, aggiunge un serbatoio di gas ad alta pressione al sistema di propulsione. Il gas, un gas non reattivo, inerte e leggero (come l'elio), è trattenuto e regolato, sotto pressione intensa, da una valvola / regolatore.

La seconda, e spesso preferita, soluzione al problema del trasferimento del carburante è una turbopompa. Una turbopompa è la stessa di una normale pompa in funzione e bypassa un sistema pressurizzato da gas aspirando i propellenti e accelerandoli nella camera di combustione.

L'ossidante e il combustibile vengono miscelati e accesi all'interno della camera di combustione e viene creata la spinta.