Che cos'è un motore criogenico?
Un motore criogenico è in genere un motore a razzo progettato per sfuggire alla gravità terrestre per inviare sonde in spaziatura o per sollevare i satelliti in orbita. Usano combustibili liquidi che vengono raffreddati a temperature molto basse e che altrimenti sarebbero allo stato gassoso alla normale pressione e temperatura atmosferica, come l'idrogeno e l'ossigeno. Questi carburanti sono utilizzati in uno dei due progetti principali per produrre forza propellente. O l'idrogeno viene vaporizzato come combustibile e innescato dall'ossidante dell'ossigeno per generare una spinta a razzo caldo standard, oppure vengono miscelati per creare vapore super caldo che esce dall'ugello del motore e crea spinta.
Cinque nazioni attualmente possiedono sistemi di propulsione criogenica testati con successo a partire dal 2011. Questi includono Stati Uniti, Russia e Cina, oltre a Francia e Giappone. Sono in corso lavori presso il Centro aerospaziale tedesco di Lampoldshausen, in Germania, per sviluppare la propulsione criogenica. L'India ha anche testato sul campo un progetto di razzo criogenico nel 2009, prodotto presso l'Indian Space Research Organization (ISRO), che ha provocato un guasto catastrofico del veicolo di prova.
L'ingegneria criogenica per i carburanti missilistici è in circolazione almeno dal design degli anni '60 del razzo Saturn V, utilizzato dalle missioni Apollo Moon negli Stati Uniti. I principali motori dello Space Shuttle americano utilizzano anche carburanti immagazzinati in modo criogenico, così come diversi primi modelli di missili balistici intercontinentali (ICBM) usati come deterrenti nucleari da Russia e Cina. I razzi alimentati a liquido hanno una maggiore spinta e, quindi, velocità rispetto alle loro controparti a combustibile solido, ma sono immagazzinati con serbatoi di carburante vuoti, poiché i carburanti possono essere difficili da mantenere e deteriorano le valvole e i raccordi del motore nel tempo. L'uso del combustibile criogenico come propellente ha richiesto strutture di stoccaggio per il combustibile, in modo che possa essere pompato nei serbatoi del motore a razzo quando necessario. Dal momento che il tempo di lancio dei missili che sono alimentati da un motore criogenico può essere ritardato fino a diverse ore e lo stoccaggio di carburante è rischioso, gli Stati Uniti hanno convertito in tutti gli ICBM nucleari a combustibile solido negli anni '80.
L'idrogeno liquido e l'ossigeno liquido sono immagazzinati a livelli di -423 ° Fahrenheit (-253 ° Celsius) e -297 ° Fahrenheit (-183 ° Celsius), rispettivamente. Questi elementi sono facilmente ottenibili e offrono uno dei più alti tassi di conversione di energia di carburanti liquidi per la propulsione a razzo, quindi sono diventati i carburanti preferiti per ogni nazione che lavora su progetti di motori criogenici. Producono anche uno dei più alti tassi di impulso specifici conosciuti per la propulsione chimica di razzi fino a 450 secondi. L'impulso specifico è una misura della variazione della quantità di moto per unità di carburante consumata. Un razzo che genera 440 impulsi specifici, come un motore criogenico dello Space Shuttle nel vuoto, raggiungerebbe una velocità di circa 9.900 miglia orarie (15.840 chilometri orari), che è appena sufficiente a mantenerlo in un'orbita in decomposizione attorno alla Terra per un periodo di tempo prolungato.
Una nuova variante dei motori criogenici è il Common Extensible Cryogenic Engine (CECE) sviluppato dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA) negli Stati Uniti. Utilizza l'ossigeno liquido tipico e l'idrogeno, ma l'intero motore stesso è anche raffreddato. Il carburante si miscela per creare vapore surriscaldato di 5.000 ° Fahrenheit (2.760 ° Celsius) come una forma di spinta a razzo che può essere regolata su e giù da livelli di spinta leggermente superiori al 100% al 10%, per manovrare in ambienti di atterraggio come sulla superficie di la luna. Il motore è stato sottoposto a test di successo già nel 2006 e può essere utilizzato in entrambe le missioni con equipaggio su Marte e Luna.