(26) Robert Goddard e i suoi razzi

Goddard

    Un altro pioniere fu un giovane americano Robert Hutchins Goddard (1882-1945). Nativo di Worcester, Massachusetts, si trovava con la famiglia in una casa di amici nei sobborghi di Worcester quando, il 19 ottobre 1899, si arrampicò su un vecchio ciliegio per potare i rami secchi. Invece, cominciò a sognare a occhi aperti:

    Nel 1915, come professore assistente alla Clark University, nel Worcester, Goddard iniziò i suoi esperimenti sull'efficienza dei razzi. Egli comprò dei razzi commerciali e misurò la loro spinta usando un pendolo balistico, una pesante massa appesa a delle corde, a cui veniva attaccato il razzo. Quando il razzo veniva fatto partire, dall'altezza raggiunta dal pendolo si poteva ricavare la quantità di moto totale (massa moltiplicato velocità), trasferita dal razzo al pendolo. Goddard usò anche una configurazione equivalente, in cui la massa veniva spinta contro una molla, anziché essere sospesa.

(A proposito delle origini del pendolo balistico, si può vedere la nota storica in fondo a questa pagina Web).

    Si può dimostrare dalle leggi di Newton che la quantità di moto totale di un sistema non soggetto a forze esterne si conserva inalterata; è questa un'altra formulazione della conservazione del centro di gravità, menzionata a proposito della propulsione dei razzi. Pertanto, la quantità di moto del pendolo in una direzione deve essere uguale alla quantità di moto mv trasferita dal getto di gas al razzo, e tale quantità di moto determina l'ampiezza e l'altezza dell'oscillazione del pendolo. Pesando il razzo prima e dopo l'accensione, Goddard poté ricavare la massa m dei gas espulsi e da questa ricavare la velocità v. Per un razzo navale "Coston" da una libbra, egli trovò che v era di circa 300 m/sec (1000 piedi/sec).

L'ugello di De Laval

    Un razzo è essenzialmente una macchina termica, cioè un dispositivo per convertire l'energia termica (ottenuta dall'energia chimica del propellente) in energia meccanica, in questo caso l'energia cinetica mv²/2 dei gas espulsi. Conoscendo m e v, Goddard poté ricavare l'energia cinetica trasferita dai gas, e, bruciando una quantità misurata di propellente, assorbendone il calore (per esempio in acqua) e misurando l'aumento di temperatura, poté anche ricavare la quantità totale di energia chimica convertita in calore. La conclusione fu piuttosto deludente: soltanto circa il 2% dell'energia disponibile contribuiva alla velocità del getto.

    Era possibile qualche miglioramento? Fortunatamente per Goddard, il problema fu risolto da Gustav De Laval, un ingegnere svedese di origine francese. Cercando di sviluppare una macchina a vapore più efficiente, De Laval progettò una turbina le cui pale venivano fatte ruotare dal getto di vapore.

La turbina di De Laval:   quattro ugelli, di cui   uno visto in sezione.

Il componente critico, quello in cui l'energia termica dei vapori caldi ad alta pressione provenienti dalla caldaia veniva convertita in energia cinetica, era l'ugello attraverso cui il getto investiva le pale. De Laval trovò che la conversione più efficiente avveniva quando l'ugello prima si restringeva, facendo aumentare la velocità del getto fino alla velocità del suono, e poi si allargava di nuovo. Al di sotto della velocità del suono (ma non al di sopra!) questa espansione causava un ulteriore aumento della velocità del getto e faceva ottenere una conversione molto efficiente dell'energia termica in energia meccanica. Al giorno d'oggi, le turbine a vapore sono le macchine preferite per le centrali elettriche e per le grandi navi, anche se in genere la loro struttura è un po' diversa -- per utilizzare meglio il veloce getto di vapore, la turbina di De Laval doveva girare a una velocità troppo alta per essere realizzabile in pratica. Invece, per i razzi l'ugello di De Laval era proprio quello che ci voleva.

    Goddard sperimentò con il suo pendolo balistico varie strutture di ugelli, usando una piccola camera di combustione metallica, riempita di polvere da sparo e accesa mediante un contatto elettrico. L'estremità della camera era filettata in modo che vari tipi di ugelli vi potessero essere avvitati e collaudati. Usando l'ugello di De Laval, Goddard ottenne velocità del getto tra i 7000 e gli 8000 piedi/sec ed efficienze fino al 63%. In seguito egli sostituì il pendolo balistico con un dispositivo più compatto, in cui la spinta del razzo non faceva sollevare un pendolo contro la forza di gravità, ma comprimeva un molla opportunamente tarata. Con tale dispositivo, egli dimostrò che (contrariamente alla convinzione corrente) i razzi funzionano altrettanto bene anche nel vuoto.

    Come lo stesso Goddard fece notare, questo fatto rendeva il razzo il più efficiente tra tutti i motori termici, migliore della macchina a vapore a pistoni (21%) e del motore Diesel (40%). Nessuna meraviglia: per il secondo principio della termodinamica, l'efficienza ottenibile teoricamente da un motore termico aumenta all'aumentare della sua temperatura di funzionamento, e nessun altro motore termico lavora a temperature così alte come il razzo.

Un motore a razzo in mostra   allo Smithsonian, sezionato   per mostrare la struttura   convergente-divergente   dell'ugello di De Laval.

    L'idea di alimentare il motore del razzo con un flusso continuo di cariche solide si rivelò impraticabile, e nel 1922 Goddard tornò alla sua idea alternativa, proposta indipendentemente da Hermann Oberth in Germania e anche accennata da Tsiolkovsky: quella di un razzo a propellente liquido. Il progetto prevedeva due condotti che arrivavano alla camera di combustione, uno per il combustibile e l'altro per l'ossigeno, in modo simile a quello che avviene nella fiamma ossidrica per tagliare l'acciaio, eccetto che qui entrambi i condotti portavano liquidi e non gas -- nel progetto di Goddard, benzina e ossigeno liquido.

    Questo tipo di razzo prometteva un'efficienza molto elevata, ma poneva anche seri problemi tecnologici. Entrambi i fluidi dovevano essere pompati a una velocità costante, e uno di essi, l'ossigeno liquido, era estremamente freddo. L'alta temperatura di combustione, in ambiente di ossigeno puro, richiedeva materiali resistenti al calore, e, per superare questo problema, Goddard sviluppò la tecnica di far sì che fosse l'ossigeno liquido stesso a raffreddare la camera di combustione durante il suo tragitto dal serbatoio di propellente. Questo metodo è usato ancora oggi: nell'immagine in alto a destra, la parte esterna dell'ugello è coperta da un gran numero di tubi metallici, attraverso i quali l'ossigeno liquido, molto freddo, fuisce verso la camera di combustione. Un altro problema completamente nuovo che Goddard dovette affrontare fu la guida e il controllo del razzo in volo.

Robert H. Goddard accanto al   razzo a propellente liquido, nel   1926.   Il razzo sta in alto e riceve il   propellente dai due tubi che   arrivano dal serbatoio in   basso.

    Il 16 marzo 1926 Goddard collaudò il suo primo razzo a propellente liquido. Egli pensò di ottenere un volo stabile, montando il razzo al di sopra del serbatoio di propellente, con il serbatoio stesso schermato dalla fiamma mediante un cono metallico e i condotti dell'ossigeno e del combustibile posti dietro al razzo: il progetto funzionò, ma non aveva la stabilità sperata. Il razzo bruciò per circa 20 secondi prima di raggiungere una spinta sufficiente (o prima di allegerire abbastanza il serbatoio di propellente) per poter decollare. Durante quel tempo si fuse una parte dell'ugello, mentre la macchina fotografica con cui la signora Esther Goddard cercava di riprendere il volo rimase senza pellicola, per cui non è rimasta nessuna documentazione fotografica di quell'evento. Il razzo si alzò fino a un'altezza di 41 piedi (12 metri e mezzo), si fermò e quindi cadde al suolo, il tutto in due secondi e mezzo, raggiungendo una velocità media di 100 km/ora.

    L'idea di Goddard sembrava collaudata positivamente, ma si era ancora molto lontani da un progetto pratico. Purtroppo Goddard lavorava isolato, senza le risorse tecnologiche di una grande organizzazione. Negli anni seguenti, egli continuò a sviluppare i suoi razzi -- controllandone il moto a mezzo di giroscopi, inserendo delle piccole alette nel punto di uscita dei gas espulsi, e costruendo razzi sempre più grandi e più veloci. I razzi venivano provati su piattaforme al suolo e talvolta anche in volo libero, per lo più nel laboratorio sperimentale per i razzi che aveva costruito a Roswell, nel Nuovo Messico.

Ma il suo sogno ultimo fu realizzato da altri, che poterono usufruire di un appoggio militare o statale. Goddard purtroppo non visse abbastanza da veder nascere l'era dei voli spaziali. Morì di cancro il 10 agosto 1945 a Baltimora.