Il volo spaziale è un processo attraverso il quale un veicolo spaziale (chiamato anche navicella spaziale) si muove al di fuori dell'atmosfera di un qualsiasi corpo celeste. A differenza del volo atmosferico compiuto dagli aerei, il volo nello spazio non si basa sulla portanza generata dalle ali e dovuta al movimento dell'aria intorno ad esse (aerodinamica), bensì è governato unicamente dalla legge di gravitazione universale e dai principi dell'astrodinamica. Per questo motivo la forma dei veicoli spaziali è profondamente diversa da qualsiasi tipo di velivolo utilizzato nell'atmosfera terrestre.
Il volo spaziale è utilizzato nell'esplorazione dello spazio, l'osservazione dell'universo, la sorveglianza satellitare e l'osservazione della Terra tramite satelliti in orbita, così come in attività commerciali come il turismo spaziale e le telecomunicazioni satellitari. Esempi di volo nello spazio sono l'allunaggio del programma Apollo, i voli dello Space Shuttle, i satelliti in orbita intorno alla Terra e le sonde automatiche inviate su altri pianeti per la loro esplorazione.
Generalmente, un volo spaziale inizia dalla superficie di un corpo celeste con il lancio del veicolo tramite un razzo vettore (detto anche lanciatore) che ha il compito di fornire la spinta iniziale necessaria per contrastare la forza di gravità e far lasciare la superficie e l'atmosfera del corpo (se presente) alla navicella. Una volta raggiunto lo spazio, quest'ultima prosegue nel suo viaggio o tramite l'ausilio di un razzo vettore (o di una sua parte, detta stadio) oppure in autonomia con un proprio sistema di propulsione. In questa fase, ogni veicolo spaziale segue una traiettoria di movimento intorno ai corpi celesti che viene chiamata orbita.
Storia
Le prime teorie sul volo spaziale tramite l'utilizzo di razzi si devono all'astronomo e matematico scozzese William Leitch, nel saggio del 1861 A Journey Through Space, ed all'ingegnere russo Konstantin Ciolkovskij, col suo lavoro del 1903 L'esplorazione dello spazio cosmico attraverso dispositivi a reazione (in russo Исследование мировых пространств реактивными приборами).
L'argomento divenne una possibilità a livello pratico con il lavoro di Robert H. Goddard, A Method of Reaching Extreme Altitudes, pubblicato nel 1919. Le sue applicazioni dell'ugello de Laval ai razzi a propellente liquido ne migliorò l'efficienza in maniera sufficiente a rendere possibili i viaggi nello spazio. Egli inoltre provò, in laboratorio, che i razzi erano in grado di lavorare nel vuoto dello spazio; nonostante tutto, però, il suo lavoro non venne preso seriamente da parte del pubblico di allora. Il suo tentativo di assicurarsi un contratto con l'esercito degli Stati Uniti per un'arma con propulsione a razzo da impiegare nella prima guerra mondiale venne vanificato dall'armistizio dell'11 novembre 1918 con la Germania.
Tuttavia, la pubblicazione di Goddard ebbe una notevole influenza su Hermann Oberth, che in seguito influenzò a sua volta Wernher von Braun. Von Braun fu, infatti, la prima persona a creare e produrre un moderno razzo da usare come arma guidata, utilizzata poi da Adolf Hitler per colpire la Gran Bretagna durante la Seconda Guerra Mondiale. Il razzo V2 di von Braun fu il primo oggetto costruito dall'uomo a raggiungere lo spazio, ad un'altitudine di 176 chilometri durante un volo di prova nel giugno 1944.
Anche il lavoro di Ciolkovskij non fu completamente apprezzato mentre egli era ancora in vita ma riuscì comunque ad influenzare Sergey Korolev, colui che poi divenne il responsabile del programma missilistico dell'Unione Sovietica sotto Iosif Stalin, e che sviluppò il primo missile balistico intercontinentale in grado di trasportare una testata nucleare. Razzi vettori derivati dal missile R-7 Semërka di Korolev furono usati per lanciare il primo satellite artificiale, lo Sputnik 1, il 4 ottobre 1957 e, più tardi, per portare il primo umano nell'orbita della Terra, Jurij Gagarin a bordo della Vostok 1, il 12 aprile 1961.
Alla fine della Seconda Guerra Mondiale, von Braun e la maggioranza del suo team si arrese agli Stati Uniti d'America, venendo espatriati oltreoceano per lavorare allo sviluppo di missili balistici all'interno dell'Army Ballistic Missile Agency. Il loro lavoro su missili quali il Juno I e l'Atlas permise agli Stati Uniti di lanciare il loro primo satellite, l'Explorer 1, il 1 febbraio 1958 e di portare il primo americano in orbita, John Glenn a bordo della Friendship 7, il 20 febbraio 1962. In seguito, come direttore del Marshall Space Flight Center, von Braun supervisionò lo sviluppo di una classe più grande e potente di razzi vettori chiamata Saturn, che permise agli Stati Uniti di mandare i primi umani, Neil Armstrong e Buzz Aldrin, sulla Luna e di riportarli sani e salvi sulla Terra a bordo dell'Apollo 11, nel luglio 1969. Nello stesso periodo, l'Unione Sovietica provò segretamente a sviluppare il razzo N1 per avere l'opportunità di portare anch'essi un uomo sulla Luna, ma il progetto fallì miseramente per problemi tecnici.
Differenze con il volo atmosferico
Un volo spaziale, per sua stessa definizione, si svolge appunto nello spazio, ambiente molto differente dall'atmosfera terrestre e di un qualsiasi altro corpo celeste. Essendoci il vuoto, nello spazio non è possibile generare portanza tramite le ali o un altro meccanismo in quanto non sono presenti le molecole d'aria che, "muovendosi" intorno alle superfici alari (in realtà è il velivolo che si muove nell'aria), provocano la spinta verso l'alto di quest'ultimo e di conseguenza la capacità di staccarsi da terra e volare. D'altro canto, però, la stessa mancanza di atmosfera evita il crearsi di qualsiasi forma di attrito aerodinamico che invece ogni velivolo deve contrastare affinché esso rimanga in volo. Un veicolo spaziale, quindi, generalmente non ha bisogno di alcun tipo di superficie alare ed è frequente che la sua forma risulti tutt'altro che aerodinamica, vista anche la totale mancanza di attrito. Ci sono però dei veicoli spaziali che, in funzione del loro compito o delle loro modalità operative, possono avere tutte o alcune caratteristiche costruttive tipiche di un aereo o di un elicottero, in quanto il loro uso coinvolge anche il movimento attraverso l'atmosfera di uno o più corpi celesti durante una parte del loro volo. Esempi di questo tipo sono lo statunitense Space Shuttle e l'analogo sovietico Buran, lo spazioplano sperimentale X-15 e la SpaceShipTwo usata dalla Virgin Galactic.
Anche dal punto di vista della propulsione le differenze sono notevoli. La mancanza di atmosfera, infatti, non permette ai classici motori aeronautici (come il motore a elica o turbofan) di poter operare nello spazio in quanto non è presente ossigeno libero necessario per le reazioni di combustione che alimentano gli organi del propulsore atti a generare la spinta, e quindi il movimento per il terzo principio della dinamica. Per questo motivo la quasi totalità dei veicoli spaziali utilizza motori a razzo ed ogni veicolo deve portare con sé, all'interno di speciali serbatoi, sia il carburante che il comburente necessari per la combustione. Inoltre, a differenza di un aereo che deve sempre mantenere i suoi motori accesi durante il volo per contrastare l'attrito aerodinamico e generare la portanza, un veicolo spaziale accende i suoi motori solo quando deve effettuare una variazione della sua traiettoria di volo, durante il decollo ed in alcune procedure di atterraggio. Per tutto il resto del volo, muovendosi nel vuoto, il veicolo prosegue per inerzia seguendo il primo principio della dinamica e quindi non ha bisogno di alcun tipo di propulsione.
Caratteristiche e fasi del volo
Essendo un tipo di volo che si svolge nello spazio, il volo spaziale non dipende dalle leggi dell'aerodinamica (a cui sono sottoposti gli aerei, gli aerostati e tutti gli esseri viventi in grado di volare) bensì segue le leggi della meccanica celeste e, in particolare, dell'astrodinamica. Conseguenza di ciò, le fasi di un volo spaziale sono notevolmente differenti da quelle di un normale volo atmosferico ed inoltre i veicoli spaziali vengono progettati e costruiti in maniera completamente differente dai normali velivoli. Ogni volo spaziale per essere definito tale, indipendentemente dal veicolo utilizzato o dalla missione da compiere, deve poter lasciare l'atmosfera terrestre e raggiungere, appunto, lo spazio. Compiere ciò significa quindi imprimere al veicolo una spinta verso l'alto in modo da contrastare l'azione della forza di gravità e di metterlo in una traiettoria di volo parabolica che esca, almeno in parte, dall'atmosfera terrestre; il confine tra atmosfera e spazio esterno, nonostante non ne esista uno vero e proprio, viene convenzionalmente posto ad un'altezza di 100 km dalla superficie del mare e prende il nome di linea di Karman.
Essenzialmente, un volo spaziale può essere:
Sub-orbitale Orbitale
La differenza tra le due tipologie riguarda il tipo di traiettoria che il veicolo spaziale possiede una volta lanciato da terra. Se infatti il veicolo possiede una traiettoria parabolica (balistica) che supera i 100 km di altezza ma che non compie almeno un giro completo intorno alla Terra (quella che viene definita un'orbita), allora si avrà una volo di tipo sub-orbitale; se invece il veicolo possiede una traiettoria chiusa tale da permettergli di compiere almeno un giro completo senza ricadere sulla superficie terrestre, allora si avrà un volo di tipo orbitale. Ciò che quindi permette di classificare un volo spaziale è quindi l'orbita che il veicolo segue nello spazio.
Ogni volo spaziale possiede delle fasi, elencate di seguito:
Decollo (detto anche lancio). Raggiungimento dell'orbita. Fase di crociera. Manovre orbitali (solo per voli orbitali). Atterraggio (detto anche rientro).
Per completezza e semplicità di esposizione, di seguito, si analizzeranno le fasi di un volo spaziale orbitale con partenza dalla superficie terrestre.
Decollo
L'unico metodo attualmente utilizzabile per raggiungere l'orbita, ed utilizzato sin dagli albori dell'astronautica, è tramite l'utilizzo di razzi. Altri metodi per raggiungere l'orbita (e lo spazio in generale) devono ancora essere costruiti oppure non sono ancora sufficientemente sviluppati da poter garantire le prestazioni necessarie.
Il lancio di un razzo per un volo spaziale inizia solitamente da uno spazioporto (o cosmodromo, secondo l'accezione russa), che generalmente è provvisto di complessi di lancio per il decollo verticale dei razzi e di piste per il decollo e l'atterraggio di aerei madre e spazioplani (come lo Space Shuttle). Di solito gli spazioporti sono situati a debita distanza da zone densamente abitate per ragioni di sicurezza e di inquinamento acustico; i missili balistici intercontinentali (ICBM), invece, hanno strutture di lancio speciali e dedicate. Un complesso di lancio è una struttura fissa appositamente costruita per permettere l'involo dei razzi; consiste generalmente in una torre di lancio munita dei dispositivi necessari per permettere il rifornimento ed il controllo del razzo vettore, nonché delle passerelle per permettere l'imbarco di eventuali astronauti. Inoltre, sono presenti dei sistemi di soppressione del rumore e delle trincee tagliafuoco per il convogliamento gas di scarico dei motori lontano da strutture e persone nell'area.
Gli spazioporti più utilizzati e famosi sono il Kennedy Space Center (NASA), il Cosmodromo di Baikonur (Roscosmos) ed il Centro Spaziale della Guyana Francese (ESA); una lista di tutti gli spazioporti attualmente in uso e non può essere trovata sotto la rispettiva voce.