Perché un razzo vola?

Nella camera di combustione, il propellente e l'ossidante reagiscono generando gas ad alta pressione e alta temperatura. Questo gas fuoriesce attraverso un ugello a forma di campana, che lo accelera a velocità comprese tra 2.500 e 4.500 m/s, secondo il propellente. Espellere massa verso il basso genera una forza di pari intensità verso l'alto sul veicolo: questa è la spinta. Più grande è la portata del gas e la sua velocità di uscita, maggiore è la spinta — senza alcuna partecipazione dell'aria circostante.

Per decollare, la spinta deve superare il peso totale del razzo, che è in gran parte caricato di propellente: in un lanciatore tipico, propellente e ossidante rappresentano più dell'85% della massa sulla rampa di lancio. All'inizio, l'accelerazione è bassa, appena sopra la gravità, motivo per cui i razzi salgono lentamente nei primi secondi. Ma ogni secondo il veicolo brucia tonnellate di propellente e diventa più leggero, così la stessa spinta produce un'accelerazione sempre maggiore. Alla fine di uno stadio, il carico può raggiungere quattro-cinque volte la gravità.

Per raggiungere l'orbita terrestre sono necessari circa 7,8 km/s, e nessun razzo a stadio unico riesce a ottenerli con una riserva utile, perché serbatoi e motori vuoti sono peso morto. La soluzione classica consiste nel dividere il veicolo in stadi: quando il primo esaurisce il propellente, si separa, e lo stadio successivo accende i suoi motori già ad alta velocità e con una massa molto inferiore. L'equazione di Ciolkovskij, stabilita nel 1903, riassume questa logica: la velocità finale dipende dalla velocità di uscita dei gas e dal rapporto tra massa iniziale e finale. Per un razzo, volare significa controllare con precisione questo rapporto.