(27) L'evoluzione del razzo

Germania

    La storia completa della tecnologia dei razzi è troppo lunga per essere trattata in questa sede. Tra la Prima e la Seconda Guerra Mondiale, specialmente negli anni '30, gli appassionati e i circoli dedicati ai razzi erano molto attivi in Germania, negli Stati Uniti, in Russia e in altre Nazioni. Furono progettati razzi sperimentali, furono collaudati e talvolta anche fatti volare. In alcuni esperimenti venne usato il propellente liquido, ma furono sviluppati anche razzi a propellente solido. In questi ultimi, il propellente bruciava gradualmente (come avveniva nei primi razzi alimentati dalla polvere da sparo), e l'intero contenitore del propellente era sotto pressione, indirizzando i gas caldi direttamente nell'ugello di De Laval.

Hermann Oberth

    La culla della tecnologia dei razzi fu la Germania, dove Hermann Oberth, un oriundo romeno, promosse vigorosamente l'idea del volo spaziale, anche se la sua tesi di dottorato, dal titolo "Il razzo nello spazio interplanetario", fu rifiutata dall'Università di Heidelberg. Oberth era anche uno dei primi membri della "Società per i Viaggi Spaziali" ("Verein fuer Raumschiffahrt" o VfR), fondata nel 1927. Nel 1930 la VfR collaudò con successo un motore a propellente liquido con un ugello conico che sviluppava una spinta di 70 newton (con circa 10 newton si riesce a sollevare un peso di 1 kg). Nel 1932 volavano razzi con motori da 600 newton.

Il razzo V2

    In quel periodo le forze armate tedesche avevano anche iniziato a sviluppare i razzi per scopi militari, e nel 1932 arruolarono un giovane ingegnere di nome Wernher Von Braun. I razzi militari erano più grandi e più ambiziosi, e l'A2 che volò nel 1934 sviluppava una spinta di 16000 newton. Questa linea progettuale condusse alla fine all'A4, progettato e collaudato sotto la supervisione di Von Braun, un razzo di 12 tonnellate con una spinta di 250 000 newton, 1 tonnellata di carico utile e una gittata di 300 km (200 miglia).

(Foto di Richard V.   Wielgosz)

    Ribattezzato V-2 ("arma di vendetta 2") dalle forze armate tedesche, centinaia di razzi di questo tipo furono lanciati verso la fine del 1944 su Londra, un bersaglio abbastanza grande da assicurare danni notevoli anche senza un puntamento preciso. Poiché questi missili volavano molto più alti e molto più veloci di qualunque aeroplano, gli inglesi non erano in grado di intercettarli, e cercare di bombardare i loro siti di lancio era anche piuttosto difficile, poiché le V-2 (come i missili iracheni nel 1991) usavano piattaforme di lancio mobili. Gli attacchi cessarono soltanto quando l'esercito tedesco fu respinto al di là della portata dei missili. Oggi una V-2 è esposta nel Museo dell'Aria e dello Spazio dello "Smithsonian Institution" a Washington (fotografia a destra) e una anche nel "Deutsches Museum" di Monaco di Baviera.

Negli Stati Uniti

Theodore Von   Karmán

    Nel frattempo la tecnica missilistica si andava sviluppando negli Stati Uniti, indipendentemente dagli sforzi di Robert Goddard. Un famoso pioniere fu Theodore Von Karmán, nato in Ungheria e laureato a Minta, uno dei più famosi istituti di Budapest, da cui uscirono un gran numero di eminenti scienziati. Karmán divenne un'autorità nel campo aeronautico e negli anni '30 del 1900 fu professore di scienze aeronautiche presso il Caltech, l'Istituto di Tecnologia della California, a Pasadena.

    Insieme a Frank Malina, uno dei suoi studenti laureati, Karmán cominciò a progettare razzi presso il Laboratorio Aeronautico Guggenheim del Caltech (finanziato dalla famiglia Guggenheim e anche con il lavoro di Goddard). Poiché i razzi avevano una dubbia connotazione di "qualcosa di alieno", essi chiamarono il loro lavoro "propulsione a getto". Infine Karmán e Malina fondarono presso il Caltech un laboratorio dedicato al lavoro sui razzi, denominato "Jet Propulsion Laboratory" (JPL), "Laboratorio per la Propulsione a Getto"; attualmente il JPL fa parte in pratica della NASA, un grande laboratorio specializzato nell'esplorazione del Sistema Solare al di là della Terra. Un altro eminente studente di Karmán fu Hsue Shen Tsien, che in seguito tornò in Cina e contribuì al programma spaziale cinese.

    Il gruppo di Karmán costruì razzi sia a propellente solido che a propellente liquido. Durante la Seconda Guerra Mondiale uno dei problemi era quello di riuscire a far volare idrovolanti con un carico molto pesante. Karmán e i suoi ingegneri risolsero questa difficoltà progettando il razzo JATO (dalla sigla "Jet Assisted Take Off", cioè "Motore a razzo per aiutare il decollo"). Originariamente veniva bruciato un miscuglio di catrame e perclorato, un composto ricco di ossigeno simile a quello usato dagli insegnanti di chimica per produrre ossigeno nelle loro dimostrazioni in classe: il catrame era il combustibile e il perclorato forniva l'ossigeno. (Anche Robert Goddard aveva progettato un tipo di razzo JATO a propellente liquido, ma non ebbe succeso).

    In seguito, essi idearono il razzo "Private" (il "Soldato"), a propellente solido, per uso militare, e un razzo più grande, a propellente liquido, il "Corporal" (il "Caporale"). Quest'ultimo fu poi adattato per ricerche nell'alta atmosfera con il nome di "WAC Corporal" (WAC è la sigla di "Women's Auxiliary Corps", "Corpo Ausiliario Femminile"). Questo razzo, con una spinta di 6700 newton, raggiunse nel 1945 un'altezza di 70 km; successivamente, da questo fu sviluppato un razzo più grande, per usi scientifici, denominato "Aerobee".

Usi militari

Con l'eccezione delle V-2, i vari eserciti nella Seconda Guerra Mondiale usarono razzi a propellente solido, per impiego in artiglieria, un po' come li aveva usati Congreve, per bombardamenti massicci, per coprire gli attacchi o per supporto negli sbarchi; l'esercito russo, per esempio, aveva i suoi famigerati "Katyusha".

L'aeroplano a razzo X-1, il primo  aeroplano che superò la velocità  del suono. Gli effetti delle onde  d'urto sono visibili nei gas di scarico.

    Inoltre, la Germania sviluppò degli aerei da combattimento, con motore a razzo, e il motore funzionava quel tanto che bastava a raggiungere e intercettare i bombardieri americani, dopo di che l'aereo planava verso il suolo, atterrando senza motore. Queste tuttavia erano le armi della disperazione, e la guerra finì prima che potessero essere usate. Dopo la guerra, nel 1947, gli Stati Uniti costruirono e fecero volare un aereo a razzo, l'X-1, che divenne il primo aereoplano a superare la velocità del suono in volo orizzontale, il 14 ottobre 1947. Anche l'X-1 è esposto nel museo dello "Smithsonian" a Washington.

Tecnologia dei razzi multistadio

    Tutti i razzi esaminati finora avevano un solo motore, per cui il razzo saliva finché non finiva il propellente. Un modo migliore per raggiungere alte velocità, tuttavia, era quello di porre un razzo più piccolo in cima a uno più grande e accenderlo quando il primo aveva finito il propellente.

    Supponiamo di voler usare una V-2 per portare un piccolo carico utile -- per esempio, 10 chilogrammi -- il più in alto possibile. Il normale carico utile per una V-2 era di una tonnellata (1000 kg), e con quel carico era possibile raggiungere un'altezza di circa 100 km. Riducendo il carico utile a 10 kg, l'altezza raggiungibile aumenterebbe un po', ma non tanto, poiché comunque occorrebbe portare fino all'altezza massima anche il razzo vuoto, che pesa circa 3 tonnellate.

    L'esercito americano, che dopo la guerra usò le V-2 catturate per dei voli sperimentali nell'alta atmosfera, adottò un metodo più efficiente. Fu sostituito il carico utile con un altro razzo, in questo caso un "WAC Corporal", che fu lanciato al culmine della traiettoria. A questo punto, la V-2 ormai vuota, del peso di 3 tonnellate, veniva lasciata cadere e, usando il razzo più piccolo, il carico utile raggiungeva un'altezza notevolmente maggiore. Questo era il razzo "Bumper" (foto a destra), che nel febbraio del 1949 raggiunse un'altezza di 393 km.

    Oggi naturalmente quasi ogni razzo spaziale usa vari stadi, lasciando cadere ogni stadio consumato e continuando con un altro razzo più piccolo e più leggero. L'Explorer 1, il primo satellite artificiale americano, che fu lanciato nel gennaio 1958, usò un razzo a 4 stadi. Anche la navetta spaziale usa due grandi razzi a propellente solido che vengono sganciati quando è esaurito il propellente (il disastro del "Challenger" nel 1986 avvenne quando una di queste operazioni fallì).

    Il propellente per i motori propri della navetta -- ossigeno e idrogeno liquidi -- proviene da un grosso serbatoio sganciabile. Via via che il propellente viene usato, la massa diminuisce e, per il secondo principio della dinamica, l'accelerazione aumenta con continuità (è difficile ridurre la spinta dei motori, anche se la navetta, in modo un po' limitato, riesce a farlo). Per ridurre l'accelerazione ed evitare agli astronauti e alla struttura del veicolo un'eccessiva tensione, a un certo punto del volo vengono spenti due dei tre motori. Anche così, quando il propellente nel serbatoio è completamente esaurito, l'accelerazione raggiunge circa 6 g, schiacciando il corpo di ogni astronauta con una forza pari a 6 volte il suo peso.

    Chi non ha molta familiarità con i voli spaziali raramente si rende conto che quasi tutta la massa di un razzo, al momento del lancio, è costituita dal propellente. La massa, al momento del lancio, di una V-2 era costituita circa per il 75% dal propellente e per il 25% dal razzo, ma, per quanto possa sembrare alta questa proporzione, non è ancora sufficiente per un volo nello spazio. In un articolo del 1948 sulla rivista "American Journal of Physics", intitolato "Possiamo volare fin sulla Luna?", gli autori risposero a questa domanda con un deciso "no!". Essi estrapolarono la tecnologia delle V-2 a razzi più grandi, stimando che l'80% del loro peso doveva essere costituito da propellente, e conclusero che poteva essere inviato sulla Luna un carico utile di 10 kg, ma mai un essere umano.

Il razzo Atlas

Lancio di un   Atlas-Centaur.

    Il viaggio verso la Luna fu reso possibile da una tecnologia in cui il propellente costituiva una percentuale molto più alta della massa totale. Della massa del missile Atlas, costruito negli anni '50 e usato per portare in orbita i primi astronauti, circa il 97% era propellente. Quel razzo era stato descritto come un "pallone di acciaio inossidabile", che manteneva la sua forma grazie al gas pressurizzato nel suo interno, usato anche per spingere il propellente. Quello fu il veicolo con cui il 20 febbraio 1962 John Gleen divenne il primo americano in volo orbitale attorno alla Terra. Poiché il serbatoio di propellente era così leggero, l'Atlas sganciò due dei suoi motori a razzo alla fine del primo stadio del suo volo, e come la navetta continuò soltanto con il terzo.

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