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Gli Aggregat 1/3: i Precursori

5 anni fa

16 minuti

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Letteralmente Aggregat vuol dire composito, e indica sistemi meccanici complessi. Il più famoso è l’A-4, che tutti conoscono come V-2.

L’articolo è diviso in più parti perché non solo la WunderWaffe, ma anche e soprattutto le persone che l’hanno ideata e  realizzata hanno avuto un impatto duraturo e vasto nella storia successiva, anche in campo civile.

Non è esagerato dire che l’esplorazione spaziale è fisicamente partita dalla serie Aggregat: chi l’ha progettata pensava già a tali applicazioni, per aver studiato o lavorato con i precursori, che hanno vissuto nello stesso periodo. In questa prima parte si parlerà appunto di loro.

 

 

 

Konstantin Tsiolkovsky

 

konstantin-tsiolkovskyFiglio di un polacco impiegato dello Zar e di una russa di origine tartara che perse a 13 anni, rimase sordo a 10 per la scarlattina e per questo non fu ammesso a scuola.

Imparò matematica e fisica da solo a casa, e  da Kaluga andò a lavorare in biblioteca a Mosca: conobbe Nikolai Fyodorov, propugnatore del cosmismo.

Pensava che l’umanità sarebbe evoluta colonizzando lo spazio: scrisse che le sue ricerche sui razzi erano solo un supplemento alla sua ricerca filosofica, tanto che non ne costruì mai uno.

 

Il Cosmismo

Il Cosmismo propugnava di usare la scienza per la sopravvivenza a lungo termine dell’umanità: mancando un fine divino, doveva evolvere per sopravvivere nell’Universo, non solo sulla Terra. Fyodorov lo usava per combattere l’arretratezza e sottomissione delle masse russe. Predisse la clonazione e organi artificiali: l’allungamento della vita umana fino all’immortalità era essenziale anche per l’espansione nell’Universo.
Dopo la rivoluzione fu una delle basi di quella che fu poi nota come proletarskaya kultura, ProletKult per gli amici. Una citazione famosa dei principi del cosmismo, proprio di Tsiolovsky, è:

La Terra è la culla della mente, ma non si può vivere per sempre in una culla.

Influenzò moltissimo il Transumanesimo, che si fa formalmente partire dal 1923 con il saggio Dedalo: la Scienza e il Futuro del genetista britannico J. B. S. Haldane: prevedeva benefici nell’applicare la scienza alla biologia umana, prevedendo comunque che all’inzio ogni applicazione sarebbe stata vista come perversa o blasfema.

In particolare Haldane parlava di eugenetica ed ectogenetica (sopravvivenza in ambiente artificiale) per migliorare salute e intelligenza umana.

Influenzato da Verne, già da giovane teorizzò molti aspetti del viaggio spaziale e della propulsione a getto: razzi direzionabili, missili multistadio, stazioni spaziali, camere stagne (airlocks), sistemi biologici a ciclo chiuso per produrre cibo e ossigeno. Ispirato dal progetto della torre Eiffel concepì anche l’ascensore spaziale.

Nel 1897 costrui il primo tunnel del vento russo (per piccoli oggetti) nel suo appartamento, sperimentando su forme semplici. I suoi risultati ispirarono i lavori di Zhukovsky, il padre dell’aerodinamica e fluidodinamica, il primo a formalizzare la portanza e lo stallo.

Preoccupato per la sua salute, il padre lo fece tornare a Kaluga: divenne maestro elementare e si sposò. Si tenne informato nel suo relativo isolamento e produsse circa 400 opere, molte perdute in una alluvione. Ne pubblicò circa 90: la più importante fu “L’esplorazione dello spazio esterno mediante dispositivi a reazione”, del 1903.

Il libro di Tsiolkovsky provava anche per la prima volta che un razzo potesse essere usato per viaggiare nello spazio.

Il libro venne ignorato anche se conteneva numerosi risultati interessanti: ad esempio la velocità minima per orbitare la terra, 8.000 m/s, con la prova che si poteva ottenere usando un missile multi stadio alimentato con ossigeno e idrogeno liquidi. Provava anche per la prima volta che un razzo potesse essere usato per viaggiare nello spazio.

La seconda parte, pubblicata nel 1911, calcolava la velocità di fuga e forniva formule per i tempi di viaggio. Questa ebbe risonanza internazionale, e Tsiolkovsky trovò numerosi estimatori all’estero.

Già nel 1880 aveva inviato all’Accademia delle Scienze il libro teoria dei gas, ma fu informato che le sue scoperte erano già state fatte 25 anni prima. In compenso nel 1894 il suo articolo una macchina volante a forma di aereo o uccello conteneva disegni di un monoplano simile a quelli usciti almeno 15 anni dopo.

Più tardi progettò anche un dirigibile completamente in metallo, ma nessuno di questi piani venne finanziato dall’Accademia. Nel 1927 pubblicò “La resistenza dell’aria e il treno espresso”, in cui analizzava la propulsione su cuscino d’aria o altri fluidi, anticipando gli hovercraft.

Tsiolkovsky formalizzò nel suo libro l’equazione del moto di un razzo ideale, chiamandola “formula dell’aviazione”, che in seguito prese il suo nome. Fu inoltre il primo ad applicarla per capire se un grave potesse ottenere la velocità necessaria per viaggiare nello spazio.

La formula esprime il moto di un dispositivo che accelera espellendo parte della sua massa, conservando quindi il suo momento.

 

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La formula è la seguente:

[latex s=4]\delta V=V_e \ln\left( {M_0\over M_1} \right)[/latex]

 

dove:
[latex s=2]M_0[/latex] è la massa totale iniziale, compreso il propellente, detta massa bagnata;

[latex s=2]M_1[/latex] è la massa totale senza propellente, detta massa asciutta (you don’t say?);

[latex s=2]V_e[/latex] è la velocità effettiva dei gas esausti, che può essere diversa da quella teorica perchè ad es. partendo dall’atmosfera c’è sicuramente la pressione atmosferica ad agire sul missile.

È legata alla spinta dei razzi dalla formula [latex s=2]F_t = V_e  \dot{m}[/latex], dove [latex s=2]\dot{m}[/latex] è il flusso di massa del propellente, cioè la velocità con cui la massa del missile decresce.

[latex s=2]\delta V[/latex] è la velocità massima raggiungibile dal missile.
La formula è valida nell’ambito newtoniano, quindi quando il fattore di Lorentz [latex s=2]\gamma[/latex] è inferiore a 1, grosso modo fino a una velocità pari a 0,5c dove [latex s=2]\gamma = 1.15[/latex].

(missile è un termine più generico di razzo: non implica un tipo di motore specifico, indica solo un oggetto che viene lanciato. In inglese il termine si usa in questo senso: anche una lancia è un missile)

 

La figlia venne arrestata per attività sovversive dagli zaristi e il figlio si suicidò molto giovane.

Dopo la rivoluzione, a cui era favorevole, entrò nell’Accademia Sovietica e divenne docente di matematica. I suoi lavori vennero popolarizzati da scrittori russi negli anni ’30, ma le sue idee sull’eugenetica lo isolarono politicamente.

Morì nel 1935 dopo la rimozione di un cancro allo stomaco. A Peenemünde i Russi trovarono un’edizione tedesca del suo libro, piena di note di Von Braun.

Il museo nazionale della storia della cosmonautica a Kaluga è a lui dedicato, così come un cratere sulla faccia nascosta della Luna: e un asteroide ha il nome di sua moglie. Anche Zhukovsky a un cratere a lui dedicato.

L’URSS ottenne il diritto di dare nomi a crateri sulla Luna grazie a Luna 3, la prima sonda automatica a mandare immagini della faccia nascosta sulla Terra.

 

 

 

 

Robert H. Goddard

 

440px-Dr._Robert_H._Goddard_-_GPN-2002-000131Appassionato di scienza fin da piccolo, sperimentò con l’elettricità appena arrivata in casa incoraggiato dal padre che gli regalò nel tempo un telescopio, un microscopio e un abbonamento a Scientific American.

Tenne sempre un diario, da cui si sa che pensò al viaggio interplanetario per un sogno avvenuto dopo aver letto la Guerra dei mondi di H.G. Wells, e che ipotizzò come la terza legge del moto newtoniano si applicasse anche nello spazio.

Laureatosi con il massimo dei voti in fisica, alle superiori fu anche un avido lettore di matematica, astronomia e meccanica. Era già assistente universitario mentre studiava e scriveva articoli per riviste scientifiche che a volte venivano scartati in quanto troppo futuristici.

Il suo discorso di diploma On taking things for granted (sul dare le cose per scontate) fu emblematico del suo lavoro successivo. Conteneva una frase divenuta famosa:

Si è visto che spesso il sogno di ieri diventa la speranza di oggi e la realtà di domani.

Propose nel 1907 di usare giroscopi per stabilizzare gli aerei, già di loro una novità all’epoca, e nel 1909 di alimentare i razzi con propellenti liquidi, ipotizzando un 50% di efficienza.

L’efficienza indicata da Goddard oggi si chiama efficienza interna, cioè il rapporto tra l’energia cinetica dei gas esausti e l’energia termica della combustione, cioè una percentuale di quanta energia si riesce ad ottenere dal propellente.

Sperimentando con le radio registrò alcuni brevetti, in particolare un tubo a vuoto che operava come un tubo a raggi catodici (CRT): in pratica, un antenato del televisore.

History4Tornato in salute nel 1914 contro ogni speranza iniziale, riprese ad insegnare e sperimentò razzi a combustibile solido. Usando gli ugelli De Laval usati nelle turbine a vapore aumentò l’efficienza dal 2% al 40%, arrivando poi al 63% con i gas di scarico che superavano mach 7.

Un suo complesso esperimento dimostrò che le prestazioni diminuivano nell’atmosfera: lui già era convinto che sarebbero state migliori nello spazio, ma molti non gli credettero.

Sperimentare cominciava a costare troppo e chiese fondi allo Smithsonian, al National Geographic e all’Aero Club of America,  convincendoli con dettagliati documenti sui suoi risultati: anche l’università dove insegnava e quella dove si era laureato contribuirono.

Studiò i propulsori ionici nel 1916-17, come metodo per spingere i razzi nello spazio vuoto: l’entrata degli USA in guerra lo portò a contatti con l’esercito. La marina invece rifiutò i suoi progetti di uso dei razzi come siluri o proiettili di artiglieria.

 

Un propulsore ionico è un dispositivo che usa elettricità per accelerare ioni e ottenere spinta: ad oggi il termine senza specifiche è usato per i propulsori elettrostatici studiati da Goddard.

Ernst_Stuhlinger_1958Ernst Sthulinger, uno dei tanti che da Peenemünde andò poi negli USA, fu uno di quelli che più lavorò (nel tempo libero) su navi a propulsione solare: in particolare, ionizzando vapori di cesio o rubidio e accelerando gli ioni tramite elettrodi a griglia, alimentati da pannelli solari.

Fu lui a scrivere nel 1970 la famosa risposta alla suora che chiedeva perché spendere miliardi per la ricerca spaziale invece che per la fame nel mondo, e fece da consulente tecnico per alcune puntate del cartone Disneyland.

 

Brevettò molte idee temendo che aziende private le rubassero:  solo nel 1919 su insistenza del suo mentore lo Smitshonian pubblicò “A Method of Reaching Extreme Altitudes”.

Il libro vendette 1.750 copie in tutto il mondo: può sembrare poco ma per l’epoca e l’argomento specialistico fu un vero successo. Insieme con il libro di Tsiolkovsky, oggi è considerato una delle fondazioni dell’esplorazione spaziale.

L’ultimo capitolo presenta un esperimento teorico per mandare una libbra di peso ad una altezza infinita, cioè a uscire dall’atmosfera: serviva un vettore di 137kg con una velocità di uscita dei gas di 2.100 m/s. Goddard aveva già ottenuto velocità superiori con razzi più piccoli.

Ipotizzava poi quanto servisse per raggiungere la luna e quanto polvere pirica portarvi per ottenere una esplosione verificabile da un telescopio: erano solo 8 righe su 69 pagine di libro, ma la stampa ridicolizzò tanto questo punto che lo Smithsonian e Goddard dovettero intervenire. In un’intervista sul New York Times nel 1920 disse:

Ogni visione è una barzelletta finchè il primo uomo non la realizza; una volta realizzata, diventa di uso comune.

Una esplosione era il modo più semplice per verificare che il razzo avesse raggiunto la luna, visto non sarebbe potuto tornare indietro.

Iniziò test statici con benzina ed ossigeno liquido nel 1921: il primo lancio di successo fu nel 1923. La mancanza di fondi e le difficoltà tecniche per sviluppare una pompa a pistone per spingere il carburante nella camera di combustione lo spinse ad usare serbatoi pressurizzati con un gas inerte: il metodo è usato ancora oggi.

Un suo generatore termodinamico di energia solare apparve nel 1929 su Popular Science. A causa del crack finanziario dello stesso anno Charles Lindbergh, famosissimo per la sua transvolata sull’Atlantico del 1927, lo aiutò a cercare nuovi fondi: ottenne l’aiuto della fondazione Guggenheim dal 1930, trasferendosi con la famiglia a Roswell nel Nuovo Messico.

Roswell fu scelto perché isolato, quindi senza stampa intorno e con poche possibilità di far danni.

Roswell fu scelto perché isolato, quindi senza stampa intorno e con poche possibilità di far danni, e con un clima moderato quindi con meno problemi di maltempo per gli esperimenti ed adatto alla salute delicata di Goddard.

I locali amavano la privacy quanto lui: chi chiedeva dove fossero i suoi impianti otteneva spesso risposte contrastanti e/o fasulle.

Fino al 1941 a Roswell vennero sperimentati molti tipi di razzi, e a periodi Goddard tornò a insegnare per far quadrare i bilanci: il crack del ’29 si sarebbe fatto sentire fino alla guerra. Visitò anche la Germania, dove visitò fabbriche di aerei e predisse che si sarebbero dedicati anche alla missilistica, preconizzando che sarebbe diventata una corsa.

Ottenne dei contratti con la Marina per degli JATO (Jet-Assisted Take Off), supporti eiettabili per aiutare aerei a decollare a pieno carico da superfici brevi come i ponti delle portaerei: conobbe quindi il generale (allora colonnello) Jimmy Doolittle, con cui rimase in contatto preoccupati entrambi che potenze estere sviluppassero i razzi per uso militare.

 

Jimmy Doolittle

Jimmy Doolittle

Ingegnere e pioniere del volo strumentale, divenne famoso per la rappresaglia dopo Pearl Harbour.

Fece decollare sedici B25 dalla portaerei Hornet. Era un modello nuovo mai usato in combattimento: portava una tonnellata di bombe con una apertura alare di 20 metri, richiedendo di solito più dei 150 metri di ponte per decollare. A causa del tipo di missione, non avevano scorta di caccia.

Per risparmiare peso Doolittle fece togliere le armi di bordo, la radio e il marconista dai sei membri dell’equipaggio. Aumentò il carburante per coprire i 4.400 km di viaggio fino in Cina: voleva all’inizio far avere gli aerei all’URSS, che però aveva un patto di non aggressione con il Giappone e non rispose ai contatti.

La Hornet fu avvistata 300km prima del punto di lancio, ma riuscì a continuare: gli equipaggi non avevano mai fatto pratica di partenza da portaerei, ma riuscirono tutti a colpire i bersagli militari e industriali selezionati a Tokyo,  Kobe, Yokohama, Osaka e Nagoya. Fino alla partenza della nave sapevano solo che si trattava di una missione ad altissimo rischio.

 

Il raid in Giappone del 1942.

Il raid in Giappone del 1942.

 

Un B25 atterrò a Vladivostok: l’equipaggio fu internato in Siberia fino al 1943.
Gli altri caddero in Cina: dovevano cercare di raggiungere zone libere dai Giapponesi, e dopo 12 ore di volo, finito il carburante, era notte. I Giapponesi cercarono estesamente gli Americani: ne presero 8 e giustiziarono 3, altri 4 morirono paracadutandosi.

Tutti i sopravvissuti tornarono in patria: Doolittle si aspettava la corte marziale per aver perso tutti gli aerei, e invece venne decorato. Quando gli venne chiesto da dove era partito l’attacco Roosevelt rispose Shangri-la, la città del romanzo Orizzonte perduto.

L’attacco fece pochi danni, ma sollevò il morale degli USA e spinse l’ammiraglio Yamamoto ad attaccare le Midway, una disastrosa sconfitta giapponese: 4 portaerei, vitali per la guerra nel Pacifico, andarono perse.

Dopo la guerra, Doolittle divenne presidente del NACA (National Adviser Committee for Aeronautics) e diresse la sua trasformazione in NASA nel 1958, lasciando la direzione poco dopo.

 

Per ottenere risultati migliori dovette inserire delle turbopompe, che però nessun industriale voleva costruire: dovette progettarle e realizzarle in proprio, investendo parecchi sforzi e risorse dal 1938 al 1941. I risultati furono comunque incoraggianti.

Le turbopompe sono essenzialmente turbine che alimentano una pompa (you don’t say?), per ottenere una pressione maggiore del fluido. Di solito sono alimentate dallo stesso fluido da far passare nella pompa.

Le assiali  hanno diametro minore ma aumentano di poco la pressione del fluido, quindi hanno bisogno di più stadi; le centrifughe  hanno diametro maggiore ma più efficienti anche con fluidi più densi. Le prime a volte sono usate come “induttori” delle seconde, alzando la pressione del fluido e riducendo alcuni problemi come la cavitazione, cioè la formazione di zone senza fluido che possono danneggiare le pale.

Nel 1941 si trasferì alla base navale di Annapolis per costruire i JATO della Marina e l’anno dopo sviluppò un sistema di controllo della spinta che permetteva anche di spegnere e riaccendere il motore. Fece i primi test su un idrovolante PBY Catalina pieno di buchi di proiettili ricevuti a Pearl Harbour: qualcuno disse dopo che “mettere i suoi razzi su un idrovolante era come legare un’aquila a un aratro”.  Ciò nonostante non riuscì a convincere né la Marina né l’Esercito a svilupparli come arma.

Morì ad agosto 1945, dopo un cancro alla gola e con la salute minata dalla tubercolosi peggiorata dal clima umido del Maryland. Sapeva che non sarebbe vissuto a lungo: anche per questo preferiva lavorare da solo, per essere più produttivo.

A Roswell aveva cercato di fare una assicurazione sulla vita, ma il medico gli disse che l’unica assicurazione che poteva farsi dare era quella di un letto di ospedale in Svizzera.

 

 

 

 

Hermann Oberth

 

Hermann_Oberth_1950sLa sua tesi in fisica, respinta come “utopica”, divenne il saggio Die Rakete zu den Planetenräumen (il razzo nello spazio planetario) nel 1923 e fu espansa nel libro Wege zur Raumschiffahrt (vie verso il viaggio spaziale) del 1929.

Nello stesso anno si unì alla Verein für Raumschiffahrt (VfR, associazione per il viaggio spaziale) fondata nel 1927 da entusiasti della sua opera: sempre nel 1929 fece da consulente per Frau im Mond (la donna nella luna) di Fritz Lang, sperando di ottenere fondi e notorietà per gli esperimenti della VfR.

Nel 1930 von Braun entrò nella VfR: lo stesso anno la società ottenne dal comune di Berlino l’uso di un deposito di munizioni abbandonato nel sobborgo di Reinickendorf, ribattezzato Raketenflugplatz (campo di volo per razzi).

Nel 1932 il modello Repulsor raggiunse i 1.000 metri di altezza e la Wermacht chiese una dimostrazione: Hoberth era contrario, von Braun favorevole. I contrasti continuarono e determinarono lo scioglimento della società nel 1933.

Faceva il docente di matematica e fisica per mantenere la famiglia, ma nel 1941 andò a lavorare al programma Aggregat. Nel 1943 fu a Wittenberg per la WASAG (Westfälisch-Anhaltische Sprengstoff-Actien-Gesellschaft, società per azioni esplosivi della Vestfalia-Anhalt) producendo razzi antiaerei a propellente solido, continuando questi progetti dal 1950 al 1953 per la Marina Italiana.

 

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Dopo una parentesi in Svizzera come scrittore e consulente, tornò in Germania e pubblicò Menschen im Weltraum (uomini nello viaggio tra i mondi), descrivendo le sue idee per telescopi riflettenti, stazioni orbitali, navi a propulsione elettrica e tute spaziali. Tornò a lavorare con Von Braun in Alabama per la NASA, e dopo il pensionamento si occupò di politica.

Sosteneva l’origine extraterrestre degli UFO. Dopo la crisi del petrolio del 1973 studiò un generatore eolico che usasse la corrente a getto d’alta quota. Morì a Norimberga il 28 dicembre 1989.

 

Questa serie continua con:

 

 

 

Questo articolo è parte di una rubrica: WunderWaffen.
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