Buona sera a tutti.
Mi sono appena iscritto al forum che da poco ho scoperto e non sono espertissimo sul tema ma vorrei porre una domanda tecnica.
Ho notato che nei moderni razzi vettori, spesso il primo stadio è costituito da booster allo stato solido.
Non mi sembra di aver mai visto però, utilizzare questa soluzione per il secondo o terzo stadio.
Esiste una preciso motivo per questa scelta tecnica dei progettisti?
E’ forse qualcosa legato al fatto di non poter regolare a piacimento la spinta dei booster a stato solido?
Un grazie a chiunque vorrà soddisfare questa mia curiosità
Massimo
Tutti gli stadi del lanciatore Vega sono a propellente solido, ma ci sono altri lanciatori che utilizzano questo tipo di propulsione negli stadi superiori.
Uno stadio a propellente solido è meno più costoso rispetto ad uno equivalente liquido, quindi si preferisce scegliere il solido per i primi stadi per contenere i costi. La scelta per gli stadi superiori cade quasi automaticamente sul liquido (anche il Vega ha un quarto stadio liquido per l’immissione in orbita) poiché si può diminuire la spinta quando gran parte del carburante se ne è andato e le accelerazioni diventerebbero insostenibile per il carico utile.
Uno stadio a propellente solido è più costoso rispetto ad uno equivalente liquido
Sicuro? secondo il tuo ragionamento avrebbe piu senso fare tutto a liquido allora…
Dalle pochissime cose che so sui propellenti e i lanciatori mi viene da pensare solo che i motori a propellente liquido possono essere relativamente facilmente spenti e riaccesi, il che potrebbe essere una necessità importante nella parte più “alta” della salita del razzo, lo stadio solido ti porta fuori dallo strato più denso dell’atmosfera il più velocemente possibile e lì motivi per dover spegnere un motore non me ne vengono in mente. Poi i motori liquidi necessitano il raffreddamento che se può essere risparmiato per uno stadio probabilmente semplifica le cose, ci saranno anche discorsi relativi agli impulsi specifici e tante altre considerazioni e trade-off da tenere a mente che sicuramente qualcuno più informato sul forum saprà descriverti
Sorry, intendevo dire esattamente il contrario 
Grazie a tutti per le risposte finora date.
Sembrerebbe quindi per ora, emergere un discorso di possibilità di regolazione della potenza.
Pensavo in effetti allo shuttle ed alla diminuzione della potenza dei motori principali durante la fase di massima pressione aereodinamica.
Non sono sicuro però della correttezza di questa valutazione.
Un secondo (o terzo) stadio a propellente solido verrebbe comunque acceso ad una quota dove la pressione dell’aria non da più fastidio.
E forse anche dimensionando il primo stadio in un determinato modo, si potrebbe evitare di arrivare ad elevate pressioni aereodinamiche.
Il motore a propellente solido mi sembrerebbe più semplice ed economico da realizzare, senza i vari accessori quali turbopompe ecc.
Come diceva Amoroso il Vega ha tutti i primi stadi a combustibie solido. Mi sembra però che per tutti i lanciatori di grandi dimensioni si ricorra sempre e comunque all’accopiata motore liquido-solido. Vediamo se emerge ancora qualche altra specifica motivazione tecnica. Un grazie a tutti
Ci sono vari motivi per cui si preferisce usare uno stadio liquido rispetto ad uno solido per gli stadi superiori.
Come già detto, innanzitutto, vi è la necessità di controllare la spinta, con la necessità, per esempio, di dover accendere più volte il motore, cosa impossibile con motori a solido (ma possibile, con motori ibridi, cioè con combustibile solido ma con l’ossidante separato dal propellente). Inoltre, la scelta ricade sul fatto che si hanno impulsi specifico maggiori negli stadi a liquido, rispetto a quelli a solido.
Ci sono però anche degli svantaggi dei liquidi, ovvero non si possono storare i lanciatori e usarli quando necessario, ma il tutto deve essere fatto all’ultimo momento per poter permettere il riempimento dei serbatoi e, non da ultimo, l’ingomrk volumetrico che si ha, a partita di spinta.
Con STS, ad esempio, esisteva un segnale che dava MECO a serbatoi vuoti, ma si trattava di un backup perché il primo segnale di MECO veniva dal raggiungimento della velocità finale, a prescindere dallo stato di riempimento dei serbatoi. Mi viene da pensare che, in generale, in tutto quello che non è SSTO sia comodo poter spegnere l’ultimo stadio quando si vuole o scalarne la spinta o spegnere e riaccendere a seconda dei design, tutte possibilità che non vengono concesse dai booster solidi. Una volta accesi, “bruciano” fino alla fine…certo si possono separare, ma durante un inserimento orbitale non sono sicuro che sia saggio sganciare dei booster ancora in spinta. Insomma, non sarà che per le ultime fasi “alte” del volo è più comodo, preciso e sicuro avere una spinta scalabile e facile da tagliare al momento giusto? IMHO ovviamente.
Il combustibile solido è più facile da maneggiare, per questo molti dei primi razzi delle nazioni emergenti hanno tutti o quasi gli stadi a solido. Per quelli più grandi si sceglie di usarlo per i razzi ausiliari, che aiutano il lancio del missile stesso. Esistono missili con diverse configurazioni tra cui anche qualche ausiliario a liquido.
Di fato, la parte più gravosa nel volo di un missile è proprio quella iniziale, perché devi spingere su tutto il peso del missile. In questo frangente ogni aiuto è benvenuto. Superati gli strati più densi dell’atmosfera e con il missile assai meno pesante, l’uso di missili ausiliari diventa superfluo. I propulsori degli stadi successivi hanno la possibilità di spingere senza aggravi, anzi, la resistenza dell’aria decresce notevolmente mentre salgono di quota, aumentando di fatto l’efficienza dei propulsori.
ricordo comunque di un modello di razzo, forse cinese o giapponese, che aveva degli ausiliari non alla base, ma sul tronco del missile. Le spiegazioni che mi vengono sono tre:
1 al momento della partenza anche i due ausiliari si attivavano per “alleggerire” il primo stadio, essendo posti sul secondo;
2 perché il distacco del primo stadio avveniva a quota troppo bassa ed il secondo aveva bisogno ancora di una ulteriore spinta;
3 si trovavano in quella posizione ed erano accesi al momento del lancio per aiutare il primo stadio ed “equilibrarlo”.
Spero che qualcuno più preparato ti possa dare info più specifiche delle mie.
Grazie anche per il tuo contributo Cosmos!
Ecco quello che vorrei capire è perchè i razzi a stato solido sono quasi sempre solo dei razzi ausiliari, contribuiscono solo alla fase iniziale del lancio, quando c’è da fare il “lavoro più grosso”.
Mi pare di intuire che per il “lavoro di fino”, e quindi sugli stadi finali, siano quasi d’obbligo i razzi a propellente liquido.
Ma è solo un discorso di possibilità di spegnimento e riaccensione a piacere dei combustibile liquido? O di regolazione di fino della loro spinta?
Ve lo immaginate uno space shuttle senza ET e SSME, ma ad esempio con 4 booster? Tutto sommato anche gli SSME bruciavano dall’inizio alla fine senza nessuna interruzione e riaccensione.
Allora, considera che a livello del mare gli SSME al livello del mare potevano sollevare il 20% del peso dello shuttle, ma lo acceleravano di 5500m/s, mentre gli SRB (che fornivano l’85% della spinta al decollo in due) gli permettevano di staccarsi da terra ma gli fornivano meno del 20% del dV totale necessario per raggiungere l’orbita.
Penso che uno shuttle senza ET e SSME accelererebbe violentemente fino ad essere distrutto dalle forze aerodinamiche, senza nemmeno raggiungere velocità suborbitali.
Non sempre i propulsori a liquido sono usati per la loro capacità di essere accesi e spenti, ma perché sono molto più potenti. A parità, combustibili liquidi come la miscela ossigeno ed idrogeno sono i più potenti che si conoscano. Ma se non padroneggi le tecniche crioscopiche non la puoi realizzare.
altre forme di propellenti hanno altri problemi, per esempio certi combustibili liquidi sono fortemente corrosivi, ed anche li devi possedere conoscenze tecniche molto accurate per realizzarli.
Anche il propulsore poi è una sfida tecnologica. Prova ad immaginarti a quanti tipi di sollecitazioni è sottoposto. Tanto più è complesso, come nel caso dei combustibili liquidi, tanto più è impegnativo sotto tutti i punti di vista.
Quindi la scelta dipende alla fine da una sorta di formula matematica dove devi mettere il tipo di carico e l’orbita che gli vuoi far raggiungere, le tue capacità tecnologiche ed ultimo, ma non necessariamente, la tua disponibilità economica.
Ovviamente, visto quanto sopra, se posso risparmiare sostituendo ad un propulsore a liquidi uno a solidi, la scelta cade sul solido.
Ricordo a memoria e dovrei controllare negli appunti del corso di endoreattori, ma il punto principale e’:
Nel decidere la configurazione di un lanciatore uno delle prime scelte da fare e’ quanti di quanti stadi e’ composto il lanciatore e quali propellente utilizzare. Dai calcoli estremamente preliminari risultava che affinche’ lo staging fosse vantaggioso occorreva che il propellente dello stadio precedente avesse una “densita’ di impulso” maggiore di quello successivo (densita’ propellente per impulso specifico). In questo modo si ha la possibilita’ di alleggerire molto velocemente il lanciatore nei primi istanti.
Questo vale anche per tutti i tipi di staging. Per esempio il cherosene ha una densita’ di impulso maggiore dei propellenti criogenici, sebbene questi siano piu’ efficienti. Anche nello shuttle bisognava considerare che il primo stadio “virtuale” era composto dalle media della densita’ di impulso della miscela Ossigeno-idrogeno e di quello dei booster, che e’ maggiore del solo idrogeno-ossigeno.
Quando avro’ tempo cerchero’ di recuperare i calcoli 
Un veicolo pluristadio destinato al lancio di oggetti in orbita o sonde interplanetarie senza equipaggio può essere dotato di uno stadio di avviamento (primo stadio) a propellente solido. Per una serie di motivi, primo fra tutti è che i boosters a solido sono relativamente meno complicati e quindi meno costosi di quelli a liquido. Ma c’è un altro motivo, che concorre a rendere l’intero veicolo più economico. Si tratta dell’assenza di sistemi di guida e controllo sofisticati, che non sono strettamente necessari in questa fase. Si installano invece sistemi di stabilizzazione meno elaborati e atti semplicemente a manterene il veicolo in assetto e non già a mantenere e controllare una rotta programmata. Ci penseranno poi gli stadi superiori, meno potenti ma più precisi, a compiere il lavoro “smart”, ovvero quello di rendersi esattamente conto di posizione, assetto, direzione, e condizioni da ottenere alla fine della fase propulsiva. Il primos tadio serve solitamente a portare le altre parti del veicolo, vale a dire carico utile e stadi propulsivi meno potenti a superare le parti più dense dell’atmosfera, ove i disturbi causati da correnti d’aria e dalla relativa velocità rispetto al veicolo non possono più disturbare eccessivamente. Siccome i boosters a solido non sono, solitamente, man-rated (e se lo sono lo sono a sprezzo del pericolo, vedi i boosters della navetta, che hanno dato centotrentacinque grossi mal di testa ai direttori di volo e in una occasione anche agli astronauti) e quindi vanno bene per veicoli senza equipaggio. I boosters vengono evitati anche come add-on in veicoli con equipaggio poichè quando si guastano non danno avvertimenti… mentre in un elemento con pompe, tubazioni, valvole, eccetera, è possibile mediante sensori e una rete di cablaggi e di computer programmati ad hoc, capire se qualche componente, lavorando al di fuori delle condizioni massime di sicurezza, potrebbe guastarsi nei prossimi secondi. In tal caso i computer avrebbero il tempo di attivare le procedure per il salvataggio della capsula con equipaggio, eccetera. ovviamente si tratta di sistemi costosi, che aggiungono complicazione al sistema.
Si tratta, come sempre, di scelte progettuali e di missione. Qualche anno fa abbiamo visto il lancio di Ares-1X, che non era altro che un booster usato dello shuttle, con un segmento aggiuntivo inerte, un semplice e crudo sistema di controllo e poco altro, per un volo ottimamente riuscito secondo il piano di volo ma che non ebbe seguito. In tal caso avemmo un veicolo semplicissimo dotato di milletrecento tonnellate di spinta al decollo e oltre ottocento di peso. Ma se il booster fosse stato completo e lo stadio superiore attivo, avremmo già avuto, con relativa poca spesa, un lanciatore orbitale per equipaggio comparabile e anzi superiore al vecchio caro Saturn IB.
Se ho capito bene quindi, in linea di principio, sarebbe fattibile realizzare un grande razzo vettore ad uno o più stadi comletamente a stato solido.
Questi potrebbe spingere sin quasi in orbita il payload, e solo l’ultimissima fase di aggiustamento dell’orbita sarebbe lasciata in carico ad una tipologia diversa di motori. Ho interpretato correttamente?
Come già spiegato, è una questione di scelte progettuali. Missili a tutto solido ci sono già, come tutto liquido o ibridi. Ognuno con i suoi pro ed i suoi contro.