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Un razzo brucia propellente ed espelle gas caldo molto velocemente dall'ugello. Spingendo quel gas all'indietro, il razzo viene spinto in avanti (terza legge di Newton). Porta con sé il proprio ossidante, quindi non ha bisogno d'aria e funziona nel vuoto.
L'impulso specifico (Isp) è la spinta divisa per il peso di propellente usato ogni secondo: Isp = F/(ṁg₀). Newton diviso newton al secondo dà secondi. Non è un tempo di accensione. Un Isp più alto significa meno propellente per la stessa spinta.
Liquido: combustibile e ossidante stanno in serbatoi separati e vengono pompati in una camera. Danno Isp più alto e si possono regolare. Solido: combustibile e ossidante sono premiscelati in un blocco solido che brucia dalla superficie. Semplice e pronto all'uso. Ibrido: combustibile solido con ossidante liquido o gassoso, che si può regolare, spegnere e riaccendere.
L'equazione di Ciolkovskij, Δv = Vₑ ln(m₀/m_f), dice di quanto un razzo può cambiare la sua velocità. Dipende solo dalla velocità di scarico e da quanta parte della massa iniziale è propellente. Per via del logaritmo, raddoppiare il propellente non raddoppia il Δv.
L'ugello si restringe fino a una gola, dove il flusso raggiunge la velocità del suono, poi si allarga così il gas continua a espandersi e ad accelerare. Un rapporto d'area uscita/gola più grande dà scarico più veloce, ma un ugello progettato per il vuoto è sovraespanso al livello del mare e perde spinta.
Serbatoi vuoti e motori sono peso morto. Sganciare ogni stadio quando finisce il propellente fa partire il successivo con un rapporto di massa migliore, così il razzo raggiunge più Δv di un unico grande stadio.
A temperatura ambiente sono gas. Per conservarli densi come liquidi, la NASA tiene l'ossigeno a circa −297 °F (−183 °C) e l'idrogeno a circa −423 °F (−253 °C). Il vantaggio: i motori a idrogeno e ossigeno hanno l'Isp chimico più alto. Il costo: il calore li fa evaporare, quindi i serbatoi richiedono un forte isolamento.
Usano energia elettrica per espellere il propellente velocissimo, con Isp molto alto. Ma la spinta è limitata dalla potenza (F = 2ηP/Vₑ): scarico più veloce significa meno spinta a parità di potenza. Sono adatti a missioni lunghe e pazienti, non al lancio.
Più di 1. A esattamente 1 il razzo resta sospeso. L'eccesso sopra 1 fissa l'accelerazione iniziale: a₀ = F/m − g.
Sì. La NASA riferisce che i suoi motori RS-25 hanno volato in 135 missioni dello Space Shuttle, con oltre 3.000 accensioni. Oggi quattro RS-25 spingono lo stadio centrale dell'SLS. Riutilizzare hardware collaudato evita di costruire motori nuovi per ogni volo.
Un motore a reazione respira aria: ne prende l'ossigeno e usa l'aria stessa come gas di lavoro. Un razzo porta tutto il propellente, ossidante compreso, quindi funziona nello spazio dove un reattore non può. I reattori sono efficienti muovendo molta aria di poco; i razzi puntano su uno scarico velocissimo.
Prima le basi: analisi, fisica, chimica, termodinamica, fluidi e trasmissione del calore, poi un corso di propulsione. Il nostro percorso gratuito di quattro anni segue quest'ordine, e il corso gratuito 16.512 del MIT approfondisce razzi solidi, liquidi e ibridi. Il lavoro sulla propulsione rientra nelle carriere di ingegneria aerospaziale.