Che cos'è un motore a razzo?
Un motore a razzo è un tipo di motore a reazione, il che significa che è un motore di reazione che crea spinta scaricando un flusso di gas ad alta velocità nell'opposto della direzione di marcia desiderata, spingendosi in avanti a causa della conservazione della quantità di moto. La caratteristica distintiva di un razzo è che il suo getto propulsivo è prodotto interamente dalla massa del propellente del motore, senza che esso sia preso dall'ambiente esterno. Ciò differisce da altre forme di motori a reazione, come i turbojet, i turbofan e i ramjet, che mescolano il loro combustibile con l'aria compressa dall'atmosfera per bruciare il combustibile e produrre un getto. La tecnologia del motore a razzo è essenziale per i voli spaziali, poiché i razzi possono funzionare al di fuori di un'atmosfera. I razzi vengono utilizzati anche per scopi come fuochi d'artificio, armi e velivoli ad alta velocità.
Esistono diverse forme di motore a razzo. Il tipo più comunemente usato è chiamato un razzo chimico. Un razzo chimico è spinto in avanti da reazioni chimiche nel suo propellente che producono calore, producendo un flusso di scarico ad alta velocità che viene scaricato dalla parte posteriore del razzo. Ogni razzo chimico trasporta una sostanza propellente infiammabile come combustibile. Questo è combinato con una sostanza ancora più infiammabile, chiamata iniziatore o accenditore. L'iniziatore viene acceso, di solito attraverso una scintilla elettrica o carica pirotecnica, e il calore a sua volta accende il propellente, che brucia per produrre un getto di scarico propulsivo.
I prodotti chimici del propellente possono essere solidi, liquidi o solidi combinati con liquidi o gas. In un razzo a combustibile solido, il propellente solido, chiamato grano, è immagazzinato insieme a sostanze chimiche ossidanti che fungono da iniziatore, mentre i razzi a combustibile liquido immagazzinano il propellente liquido e l'iniziatore in serbatoi separati fino a quando non è il momento di rilasciarli in la camera di combustione da miscelare. I razzi a combustibile ibrido utilizzano un propellente solido, che viene quindi miscelato con un iniziatore liquido o gassoso conservato in un serbatoio separato fino a quando non è pronto per essere utilizzato.
Il combustibile solido più comune usato oggi è chiamato propellente composito di perclorato di ammonio (APCP), che si riferisce a una serie di diverse miscele chimiche che incorporano sia il propellente che l'iniziatore. L'APCP include comunemente l'ossidante ammonio perclorato (NH 4 ClO 4 ), i polimeri elastici chiamati elastomeri e l'alluminio in polvere o altri metalli. I carburanti per missili liquidi sono spesso composti da ossigeno liquido miscelato con cherosene raffinato o idrogeno liquido o da dinitrogeno tetroossido (N 2 O 4 ) miscelato con idrazina (N 2 H 4 ) o uno dei suoi derivati.
I razzi a combustibile solido sono stati la prima forma di motore a razzo, ma sono stati in gran parte soppiantati da progetti più efficienti di carburante liquido e ibrido. Tuttavia, sono ancora comunemente utilizzati per scopi come fuochi d'artificio e modelli di razzi, e talvolta sono utilizzati nel volo spaziale per lanciare piccoli carichi utili in orbita o come integratori di un razzo a combustibile liquido per aumentare la capacità di carico utile. Ad esempio, lo Space Shuttle utilizza un unico grande razzo a combustibile liquido affiancato da due piccoli razzi a combustibile solido per raggiungere l'orbita.
Un razzo termico utilizza un propellente che viene riscaldato da una fonte di calore esterna piuttosto che da reazioni chimiche nel propellente stesso. I razzi ad acqua calda, chiamati anche razzi a vapore, usano l'acqua come propellente riscaldandola per produrre getti di vapore. Questi sono spesso utilizzati in veicoli terrestri ad altissima velocità, come i drag racer. I razzi elettrotermici utilizzano campi elettrici per produrre plasma riscaldato, che quindi riscalda il propellente per produrre un getto. I razzi elettrotermici sono utili per produrre brevi esplosioni di spinta e comunemente usati per scopi come il controllo dell'altitudine nei satelliti.
Diversi altri tipi di razzi termici sono stati proposti e alla fine potrebbero vederne l'uso. Un razzo solare termico userebbe l'energia solare come fonte di calore, esponendo il propellente direttamente alle radiazioni del sole o usando l'energia solare per alimentare uno scambiatore di calore che riscalderebbe il propellente. L'energia solare verrebbe raccolta e concentrata attraverso specchi o lenti per fornire abbastanza calore concentrato. Un motore a razzo termico potrebbe anche essere alimentato dall'energia trasmessa ad esso da una fonte esterna tramite raggi laser o microonde. Un razzo termico a propulsione nucleare potrebbe riscaldare il suo propellente con l'energia proveniente da un reattore nucleare o dal decadimento degli isotopi radioattivi.