Un razzo è chiamato così in onore di una bobina da cucire. La parola deriva dall'italiano rocchetto, che significa bobina, perché le versioni iniziali assomigliavano alle bobine a forma di fuso usate per avvolgere il filo. È una strana storia di origine per una macchina che finì per portare gli umani oltre l'atmosfera.
Nel suo nucleo, un razzo è semplice: un veicolo allungato che brucia il carburante che porta con sé per accelerare, senza avere bisogno di aria circostante. Questa singola scelta di progettazione è quello che separa un razzo da un reattore, ed è la ragione per cui i razzi possono volare dove i reattori non possono: attraverso il vuoto dello spazio, dove il motore di un razzo in realtà funziona meglio di quanto non faccia al livello del mare.
La storia del razzo si estende molto più lontano dell'era dello spazio. Si estende attraverso gli arsenali cinesi, i campi di battaglia indiani, le capanne di legno russe e i bunker missilistici tedeschi prima che mai lasciasse l'atmosfera intenzionalmente. Ecco come un fuoco d'artificio a forma di bobina è diventato un'astronave.
Non un Reattore con un Miglior Team di Marketing
I motori a reazione respirano. Aspirano ossigeno dall'aria circostante e lo mescolano con il carburante per bruciare. Un razzo invece immagazzina sia il carburante che l'ossidante nel proprio corpo, quindi non ha mai bisogno di aspirare nulla. Questa singola differenza è quello che consente a un razzo di volare attraverso il vuoto dello spazio, dove non c'è aria da respirare.
La parte controintuitiva è quello che accade alle prestazioni una volta che l'aria scompare. I motori a razzo non solo tollerano il vuoto, in realtà operano più efficientemente lì che nell'atmosfera. Qualsiasi cosa progettata per funzionare bene a terra si rivela funzionare ancora meglio una volta che la lascia, il che è al contrario di quasi ogni altro tipo di motore che gli umani hanno costruito.
Nato nella Cina della Dinastia Song
I razzi costruiti per la guerra e la celebrazione risalgono almeno al 13° secolo in Cina, rendendo il razzo una delle armi più antiche ancora in uso attivo oggi, solo mirata a qualcosa di molto più ambizioso ora. Secondo lo storico Joseph Needham, la marina della dinastia Song aveva già razzi organizzati abbastanza da usarli in un esercizio militare documentato nel 1245.
Questa data è importante perché significa che i razzi della polvere da sparo erano parte di un toolkit militare dello stato secoli prima che l'Europa avesse qualcosa di equivalente, con la loro origine come strumento navale e di campo di battaglia saldamente ancorata nella Cina Song.
Il Drago che Sparava dall'Acqua
I razzi moderni quasi sempre volano in stadi, scaricando serbatoi di carburante vuoti mentre salgono così il veicolo continua a diventare più leggero e più veloce. Questa idea non è un'invenzione del 20° secolo. Un manuale militare cinese del 14° secolo chiamato Huolongjing descrive un dispositivo chiamato "drago di fuoco che scaturisce dall'acqua", che è il razzo multistadio più antico conosciuto, costruito per uso dalla marina cinese.
Il nome da solo suggerisce la logica di progettazione: un razzo pensato per sembrare che scoppiasse sott'acqua, usando uno stadio per iniziare a muoversi e un secondo per continuare, la stessa logica in stadi che ogni razzo multistadio costruito da allora ha seguito in una forma o nell'altra.
Custodie in Ferro da un Regno Indiano
Per secoli dopo i primi razzi cinesi, la maggior parte dei corpi di razzi erano fatti di carta o metallo sottile che poteva scoppiare sotto pressione. Questo è cambiato alla fine del 18° secolo, quando il Regno di Mysore, sotto il dominio di Hyder Ali, costruì i razzi Mysorean, i primi razzi con custodia in ferro di successo nella storia.
Una custodia in ferro ha permesso a un razzo di mantenere una pressione interna più alta senza fallire, il che significava più spinta e più portata. Quando il progetto successivamente raggiunse la Gran Bretagna, ha ispirato il programma di razzi Congreve, il cui modello più grande, la Carcassa da 32 libbre, portava un bastone lungo 15 piedi solo per mantenerlo in volo. Un'innovazione del campo di battaglia indiano era diventata, entro una generazione, una caratteristica dell'artiglieria europea.
Un'Idea Greca Due Mila Anni Troppo Presto
Il dispositivo più antico conosciuto per dimostrare i principi di base dietro il volo con razzo non era affatto un'arma. Intorno al 400 a.C., il pitagorico greco Archita costruì un uccello di legno, lo sospese su dei fili e lo propulse lungo di essi usando il vapore come forza motrice.
Non andò affatto vicino allo spazio, e nessuno costruì su questa idea per molto tempo. Ma il principio sottostante, che espellere un getto di gas in una direzione spinge un oggetto nell'altra, è esattamente quello su cui ogni motore di razzo chimico si affida ancora oggi. Archita è arrivato a questo molto prima che chiunque avesse polvere da sparo per provarlo.
L'Uomo che Ha Progettato il Volo Nello Spazio su Carta
Molto prima che qualsiasi razzo lasciasse l'atmosfera, un insegnante di scuola nella Russia provinciale ha elaborato la matematica di come uno potrebbe infine farlo. Konstantin Tsiolkovsky è considerato il padre del volo nello spazio, ed era anche la prima persona a concepire l'ascensore spaziale, un'idea a cui arrivò nel 1895 dopo aver visto la Torre Eiffel appena costruita.
Il suo articolo più importante, sull'esplorazione dello spazio con dispositivi alimentati da razzi, è apparso nel maggio 1903, decenni prima che qualsiasi governo avesse l'ingegneria o il denaro per testare le sue equazioni. Ha elaborato la fisica della razzettica orbitale con poco più di una lavagna, in un paese che non avrebbe lanciato nulla in orbita per un altro mezzo secolo.
Un'Arma che Raggiunge lo Spazio per Caso
Il primo razzo a lasciare l'atmosfera di proposito era progettato per distruggere le città, non per esplorarle. Lanciando il volo di prova MW 18014 il 20 giugno 1944, il V-2 ha attraversato la linea Kármán ed è diventato il primo oggetto fatto dall'uomo a raggiungere mai lo spazio.
Questo traguardo è arrivato nel mezzo di una campagna di bombardamento. A partire da settembre, il Wehrmacht ha sparato più di 3.000 di questi missili alle città alleate, colpendo prima Londra, poi Anversa e Liegi. La stessa ingegneria che ha toccato per la prima volta lo spazio era, al momento, uno strumento di terrore, un tetro promemoria che i percorsi militare e scientifico della razzettica non sono mai stati completamente separati.
Perché i Razzi Vengono in Sezioni
Lo staging non è solo una curiosità storica dallo Huolongjing, è ancora il principio di lavoro dietro il raggiungimento dell'orbita. Tra il 1948 e il 1950, gli ingegneri hanno testato la serie RTV-G-4 Bumper a White Sands, successivamente Cape Canaveral, costruendo i primi razzi multistadio ad alta velocità dell'era moderna. Uno di loro ha raggiunto un'altitudine di 393 chilometri su White Sands il 24 febbraio 1949, la massima altezza che qualsiasi razzo vi aveva raggiunto.
La fisica dietro lo staging è semplice: eliminare il peso morto a metà volo consente ai motori rimanenti di accelerare un veicolo più leggero. Il primo stadio del Saturn V, ad esempio, doveva sollevare la massa totale di tutto ciò che era sopra di esso, e comunque otteneva un rapporto di massa di circa 10 e un impulso specifico di 263 secondi, numeri che mostrano perché gli ingegneri continuano a inseguire lo stadio più leggero possibile che rimane ancora insieme.
Estrarre Ogni Joule dall'Scarico
La struttura secca di un motore di razzo, tutto ciò che rimane una volta che il propellente è esaurito, è spesso solo dal 5 al 20% della massa di lancio totale del veicolo. Questo frammento di hardware, non il carburante che trasporta, è quello che finisce per dominare il costo di un programma di razzi, perché costruire serbatoi e motori che sono sia leggeri che forti è molto più difficile che riempirli di propellente.
Ottenere il massimo da questo hardware si riduce all'ugello. Gli ugelli di razzi usano forme quasi adiabatiche ad alto rapporto di espansione che raffreddano e accelerano il gas di scarico, raggiungendo un'efficienza energetica fino al 70%. La scelta del carburante è importante anche: l'idrogeno e l'ossigeno insieme forniscono l'impulso specifico più alto di qualsiasi combinazione di propellente chimico in uso, ma la densità dell'idrogeno è solo circa un quattordicesimo di quella dell'acqua, quindi i motori che lo bruciano hanno bisogno di turbopompe più grandi e pesanti che riducono il rapporto spinta-peso, un compromesso visibile quando si confronta un motore come l'RS-25 con un progetto alimentato più denso come l'NK-33.
Nessuno di questi compromessi è scomparso in un secolo di razzettica. Ogni lancio è ancora una negoziazione tra il peso morto che un veicolo può eliminare, quanto efficientemente il suo ugello può modellare lo scarico, e quanto denso un carburante osa bruciare, gli stessi compromessi che un ufficiale dell'arsenale cinese e un insegnante di scuola russo circondavano già da molto prima che qualsiasi di questi avesse un nome in inglese.