Perché i razzi volano nello spazio?

L'idea intuitiva secondo cui un motore "si spinge contro l'aria" è falsa. Un razzo funziona per espulsione di massa: brucia propellenti nella camera di combustione, accelera i gas risultanti attraverso un ugello ed espelle all'indietro a diversi chilometri al secondo. La terza legge di Newton stabilisce che questa azione genera una reazione uguale e contraria sul veicolo. Nulla di esterno è coinvolto; la spinta nasce interamente all'interno del motore, tanto sulla rampa di lancio quanto a 400 km di altitudine.

Un motore a getto di un aereo preleva ossigeno dall'atmosfera per bruciare il cherosene, per cui smette di funzionare quando l'aria scarseggia. Un razzo evita questo limite portando a bordo il proprio ossidante, sia ossigeno liquido, tetrossido di diazoto o il perclorato usato in un propellente solido. È una soluzione costosa in termini di massa, poiché l'ossidante di solito pesa più del combustibile, ma è l'unica che permette a un motore di accendersi nel vuoto o sulla superficie lunare.

Contrariamente a quanto si crede, lo spazio in realtà migliora le prestazioni di un motore a razzo. Nell'atmosfera, la pressione esterna ritarda l'espansione dei gas nell'ugello e riduce la spinta; nel vuoto, questa pressione scompare, e la stessa quantità di propellente genera più impulso. Per questo gli stadi superiori usano ugelli molto più lunghi e larghi di quelli del primo stadio, progettati per funzionare dove non c'è aria. Inoltre, senza resistenza dell'aria, basta una piccola spinta per cambiare orbita, e i satelliti riescono a mantenere la propria traiettoria per anni con motori minuscoli.