Manuale pratico di missilistica


PROGETTAZIONE DI UN RAZZO

Aerodinamica

Un qualsiasi oggetto che si muova in un fluido e' soggetto a precise leggi fisiche.
La scienza che si occupa della fisica di un oggetto in movimento nell'aria si chiama aerodinamica.
Il volo di un modello di razzo e' soggetto alle stesse leggi.
Ne risulta perciò che la progettazione di un razzo deve seguire regole ben precise e gli eventuali errori non mancheranno di creare problemi.
Innanzitutto il volo deve seguire una traiettoria prestabilita, deviazioni o fluttuazioni non sono ammesse in quanto fonte di potenziale pericolo.
E' chiaro perciò che il razzo deve possedere una intrinseca stabilità, che verrà ottenuta seguendo scrupolosamente alcuni accorgimenti progettuali e costruttivi.

Stabilita'

Un razzo deve essere progettato per un decollo stabile e per seguire una rotta prestabilita, generalmente verticale.
E' infatti molto pericoloso che un razzo devii dalla traiettoria dopo aver lasciato la rampa e punti su persone, edifici o altri oggetti.
L'alta velocità e la fiamma generata dal motore possono essere causa di incidenti o incendi.
Per ottenere ciò devono essere rispettati precisi requisiti fisici e aerodinamici che garantiscano un volo sicuro e prevedibile.
Il segreto consiste in una progettazione avveduta, con ampi margini di sicurezza e una costruzione meccanicamente ineccepibile.
Perché un razzo riesce a salire in verticale anche se la spinta applicata e' sulla sua estremità inferiore? Come mai non si rovescia o devia dalla traiettoria?
Ciò avviene per delle precise leggi fisiche che applicate senza errori garantiranno i risultati desiderati: un volo stabile e sicuro.
Il primo motivo per il quale un razzo e' considerato intrinsecamente stabile e' che il suo CENTRO DI GRAVITA' sia abbondantemente anteriore al suo CENTRO DI PRESSIONE (Per anteriore si intende rivolto verso l'ogiva).
Vediamo ora di approfondire questi concetti.

Centro di gravita'

Il centro di gravita' e' il punto fisico dove le masse dei componenti del razzo si equilibrano.
Prendiamo ad esempio un bastone di legno e solleviamolo orizzontalmente appoggiandolo ad un dito in un punto qualunque.
Al primo tentativo il bastone ruoterà' e cadrà'.
Proviamo ora a sollevarlo per la mezzeria, noteremo che la rotazione sarà' meno accentuata.
Procediamo per tentativi fino a quando riusciremo a sollevarlo orizzontalmente.
Abbiamo trovato il suo baricentro, detto anche centro di gravità.
Se invece di un bastone cilindrico proveremo con un altro oggetto irregolare, ad esempio una scopa, noteremo che il baricentro non sarà' più' nella mezzeria, ma riusciremo lo stesso a sollevarlo spostando il dito verso la spazzola, che pesando di più' compenserà la minore distanza dalla mezzeria.
Questo accade anche nei razzi, dove in genere il peso del motore e delle alette sposta il baricentro verso il basso.
Noi abbiamo invece la necessita' di spostare il centro di gravita' il più' alto possibile, per rendere stabile il razzo.
La situazione e' apparentemente paradossale in quanto il comune modo di pensare ci insegna che un oggetto e' tanto più' stabile quanto più' basso e' il suo centro di gravità.
Ma facciamo un piccolo esperimento per dimostrare il contrario: riprendiamo il bastone del primo esempio e questa volta teniamolo in verticale, in equilibrio sul dito.
Sara' un'impresa piuttosto difficile, il bastone tenderà a cadere lateralmente anche se cercheremo di compensare la caduta muovendo il dito nella stessa direzione.
Proviamo ora a sostituire il bastone con una scopa, con la spazzola rivolta verso l'alto.
Scopriremo che è possibile tenere la scopa in equilibrio senza molte difficoltà'.
Cos'è accaduto?
Semplicemente la massa aggiuntiva della spazzola ha alzato il baricentro rendendo più stabile un sistema in equilibrio di fatto instabile.
La parte inferiore del manico presenta una massa inerziale di piccola entità', mentre la parte superiore, con il peso aggiuntivo della spazzola, ha una massa inerziale di valore più elevato, il che rende più' facile la compensazione dello sbilanciamento laterale.
In un modo simile, un razzo con un baricentro alto risulta più stabile.
Ma nella dinamica del volo entrano in gioco molti altri fattori, ad esempio il Centro di Pressione (CP).

Centro di pressione

Il nostro razzo e' destinato a volare nell'atmosfera, almeno fino a quando la nostra esperienza non ci permetterà' di lanciare nello spazio le nostre creazioni.
Muovendosi attraverso l'aria qualsiasi oggetto presenta una determinata RESISTENZA AERODINAMICA dipendente dalla forma, dalla superficie frontale e dalla rugosità' del materiale di cui è composto.
E' ovvio che un razzo dovrebbe essere costruito per offrire meno resistenza possibile all'avanzamento, consentendo cosi' di raggiungere maggiori altezze.
In realtà questo e' vero solo in parte, dato che per ottenere la necessaria stabilita' e' obbligatorio prevedere delle adeguate resistenze aerodinamiche in precisi punti del razzo.
Le pinne poste sulla parte inferiore del razzo hanno esattamente questo scopo:
quello di garantire un profilo di volo senza deviazioni.
Quello che accade immediatamente dopo il decollo e' che le pinne, offrendo resistenza aerodinamica, cioè una forza contraria a quella fornita dal motore, lo mantengono stabile.

Dobbiamo però tenere conto di un fatto molto importante: la resistenza aerodinamica delle pinne inizia a manifestarsi solo ad una determinata velocità.
E' indispensabile perciò fare in modo che nel primo tratto di volo, fino a quando non raggiunge la velocità necessaria, il razzo sia correttamente guidato nella giusta traiettoria e per questo scopo di usa una RAMPA DI LANCIO (vedi paragrafo relativo)

Il CENTRO DI PRESSIONE e' il punto fisico dove sono bilanciate le forze aerodinamiche che agiscono sul corpo del razzo.

La sua posizione dipende da diversi fattori tra cui :

- la forma del razzo
- la superficie frontale esposta al flusso d'aria
- la rugosità' del rivestimento
- la forma, la superficie, il numero e la posizione delle pinne.

E' indipendente dalle masse dei componenti e perciò dal baricentro, che invece interessa il Centro di Gravità.
La determinazione del Centro di Pressione non e' semplice ed immediato come quella del baricentro.
Per farlo sperimentalmente occorre disporre di una galleria del vento o almeno un ventilatore abbastanza potente.
Si fissa il razzo su una piattaforma girevole per mezzo di una staffa e lo si pone nel flusso d'aria.
Il razzo ruoterà in direzione del flusso, dalla parte posteriore o anteriore.
Spostiamo la posizione della staffa di fissaggio lungo il corpo del razzo finchè troveremo una posizione in cui il razzo non ruota più e rimane in posizione neutra.
Quel punto e' il Centro di Pressione di quel razzo.


Perché il razzo risulti stabile in volo e' indispensabile che il Centro di Gravita' sia più alto del Centro d i Pressione di almeno il 10% della lunghezza totale.
Ad esempio, in un razzo lungo 90 cm, la distanza tra il baricentro e il CP dovrà' essere di almeno 9 cm, con il baricentro spostato verso l'ogiva.
Un altro metodo di calcolo similare e valido quanto il primo, prescrive che il Centro di Gravita' sia più alto del Centro di Pressione di almeno due volte il diametro del corpo del razzo.
Ad esempio, in un razzo di diametro 4 cm, la distanza tra il baricentro e il CP dovrà' essere di almeno 8 cm, con il baricentro spostato verso l'ogiva.
Seguendo queste semplici ma fondamentali regole potremo progettare dei razzi dal volo stabile e prevedibile.

Stima delle sollecitazioni meccaniche
Un razzo, oltre ad essere stabile, deve anche essere sufficientemente leggero per staccarsi dalla rampa e alzarsi più' in alto possibile. La spinta dei motori commerciali non e' cosi' alta da consentire la costruzione di razzi pesanti. Dobbiamo perciò' eseguire un'attenta progettazione nell'intento di risparmiare peso senza pero' rinunciare alla robustezza strutturale. La forte accelerazione durante la spinta potrebbe infatti provocare cedimenti nelle parti più critiche del razzo, causandone il danneggiamento o la distruzione. Fortunatamente le forze in gioco sono quasi tutte direzionate in senso verticale, semplificando perciò l'analisi delle stesse. La spinta del motore e' contrastata dalla massa del razzo che e' distribuita nella sua lunghezza e in parte minore dall'attrito con l'aria, individuato soprattutto sulla parte frontale e sulle pinne. Da queste considerazioni risulta chiaro che la struttura del razzo deve sopportare la forza del propulsore e calcolata con la classica formula : F= m* a dove la forza (F) e' data dalla massa (m) per l'accelerazione (a).