Motore a razzo


In aeronautica, il motore a razzo (meno comune propulsore a razzo), o endoreattore, è un motore a reazione che sfrutta il principio di azione e reazione per produrre una spinta; si distingue dagli esoreattori (motori a reazione) per la caratteristica di immagazzinare il comburente in appositi serbatoi, o già miscelato con il combustibile.
La maggior parte degli endoreattori sono motori a combustione interna.

Nei paesi di lingua anglosassone, alcuni autori distinguono tra rocket engine (“motore a razzo” a combustibile liquido) e rocket motor (a combustibile solido).[senza fonte][1]

Indice

Descrizione


Classificazione degli endoreattori

Gli endoreattori possono essere classificati in vari modi: secondo il tipo di energia immagazzinata, trasformata e cinetica in gioco, secondo le velocità di propagazione, secondo il tipo di alimentazione, ed altro.

In funzione dello scopo della missione si hanno:

In funzione della eventuale riusabilità del propulsore, si hanno:

Tipi di energia negli endoreattori

Il fenomeno propulsivo è diviso sostanzialmente in tre fasi, ognuna caratterizzata da notevoli scambi energetici e termici.

Prestazioni dei motori a razzo


Le prestazioni di un endoreattore o motore a razzo sono espresse in termini di:

Spinta

Da un punto di vista elementare il principio fisico che spiega il funzionamento del motore a razzo è il terzo principio della dinamica.

Una formulazione più raffinata del principio conduce alla legge di conservazione della quantità di moto.

Considerando l'equazione della conservazione della quantità di moto del sistema composto dal razzo e dal fluido espulso in un intervallo Δt, si può osservare come il sistema passi da uno stato con massa M e velocità V all'istante t, ad un sistema composto da un razzo con massa M − Δmm è la massa espulsa nel tempo Δt) con velocità V + ΔV e da un gas di massa Δm che si muove con velocità Vue (ue è la velocità del getto relativa al razzo, supposta costante; il segno meno indica che il gas viene espulso in direzione opposta a quella del razzo).

Utilizzando la legge di conservazione della quantità di moto otteniamo che la derivata rispetto al tempo della quantità di moto del nostro sistema (razzo + gas espulso) deve risultare uguale alla somma delle forze agenti sul sistema.

Indicando con Fe (forze esterne) questa somma e passando al limite per Δt tendente a 0 si ha che:

\({\displaystyle S=m{\frac {dV}{dt}}=F_{e}+{\dot {m}}_{p}u_{e}}\)

ossia la spinta del motore a razzo (determinata da un ugello gasdinamico) risulta, esplicitando le forze esterne in funzione delle pressioni

\({\displaystyle S=(p_{e}-p_{a})A_{e}+{\dot {m}}_{p}u_{e}}\)

dove

Il termine \({\displaystyle \left(p_{e}-p_{a}\right)A_{e}}\) viene chiamato termine statico della spinta, e contribuisce al massimo al 25% della stessa, mentre il termine \({\displaystyle {\dot {m}}_{p}u_{e}}\) è il termine dinamico.

Nel caso l'ugello sia in configurazione adattata, ossia \({\displaystyle p_{a}=p_{e}}\), risulta

\({\displaystyle S={\dot {m}}_{p}u_{e}}\)

La spinta, essendo una forza, si misura in Newton. Motori da lancio hanno spinte dell'ordine dei MN, mentre motori da navigazione spaziale hanno spinte di pochi Newton, anche milliNewton.

Rapporto spinta/peso, S/W

Il rapporto spinta/peso, comunemente indicato come S/W o T/W è un parametro importante (anche se un parametro grezzo e non qualitativo) dei diversi tipi di propulsore. Il rapporto è per definizione adimensionale.

Impulso specifico ponderale

L'impulso specifico ponderale è un parametro fondamentale per individuare le prestazioni di un propulsore. È definito come il rapporto tra l'impulso totale e la forza peso della massa di propellente consumato, ossia:

\({\displaystyle I_{sp}={\frac {I_{tot}}{mg_{0}}}}\)

L'impulso totale può essere visto come la spinta S (modulo del vettore spinta) per il tempo totale di combustione, da cui l'impulso specifico ponderale risulta essere la spinta sulla portata ponderale di propellente consumato (portata in peso)

\({\displaystyle I_{sp}={\frac {S}{\dot {w}}}={\frac {S}{g_{0}{\dot {m}}}}}\)

dove \({\displaystyle {\dot {w}}}\) rappresenta la portata ponderale di propellente consumato, mentre \({\displaystyle {\dot {m}}}\) la portata massica di propellente consumato. Esplicitando la spinta si ha

\({\displaystyle I_{sp}={\frac {{\dot {m}}u_{e}+(p_{e}-p_{a})A_{e}}{\dot {w}}}={\frac {1}{g_{0}}}\left(u_{e}+{\frac {(p_{e}-p_{a})A_{e}}{\dot {m}}}\right)}\)

Nel caso di ugello adattato, la parte statica dell'espressione della spinta S diventa nulla (\({\displaystyle p_{e}=p_{a}}\)), da cui

\({\displaystyle I_{sp}={\frac {u_{e}}{g_{0}}}}\)

dove \({\displaystyle u_{e}}\) rappresenta la velocità di efflusso dei gas combusti relativa al lanciatore.

Velocità equivalente di efflusso

Viene introdotta per semplicità di calcolo delle prestazioni di un propulsore termico (caratterizzato da un ugello gasdinamico) in condizioni non adattate.

\({\displaystyle c=u_{e}+{\frac {(p_{e}-p_{a})A_{e}}{\dot {m}}}}\)

Velocità caratteristica

La velocità caratteristica è un parametro di merito della camera di combustione di un motore a razzo: valori elevati indicano processi di conversione dell'energia termochimica molto efficienti.

\({\displaystyle c^{*}={\frac {p_{c}A_{t}}{\dot {m}}}}\)

dove

Il reciproco della velocità caratteristica è chiamato coefficiente di efflusso. I valori della velocità caratteristica sono compresi solitamente tra 1500 e 3000 m/s.

Coefficiente di spinta

Il coefficiente di spinta è definito come

\({\displaystyle c_{s}={\frac {S}{p_{c}A_{t}}}}\)

ed esprime di quanto la spinta aumenta per la presenza del divergente supersonico rispetto al valore statico dato dalla pressione di camera di combustione per l'area di gola dell'ugello. Valori del \({\displaystyle c_{s}}\) sono tipicamente compresi tra 1 e 2.

Tipi di motori a razzo


Motori chimici a propellente liquido

Lo stesso argomento in dettaglio: Razzo a propellente liquido.

Il motore a razzo a combustibile liquido impiega due serbatoi separati contenenti il combustibile ed il comburente. I due componenti vengono inviati, attraverso delle pompe, ad una camera di combustione i cui prodotti transitano attraverso un ugello di scarico. La spinta dei motori a razzo a combustibile liquido può essere regolata agendo sulla velocità di alimentazione della miscela di propellente attraverso la regolazione delle pressioni di efflusso. Combustibile e comburente, che insieme costituiscono il propellente, sono i reagenti chimici nella camera di combustione dove avvengono le reazioni di ossido-riduzione che comportano i passaggi di stato in gas e l'aumento dell'energia termica del fluido. I componenti principali di un propulsore a propellente liquido sono:

I propulsori a propellente liquido caratterizzano molti veicoli di lancio, come i motori principali SSME dello Space shuttle, ad idrogeno e ossigeno liquidi, oppure il motore principale dell'Ariane 5.

Gli impulsi specifici di propulsori a liquido arrivano fino a 500 secondi.

Motori chimici a propellente solido

Lo stesso argomento in dettaglio: Razzo a propellente solido.

Il motore a razzo a combustibile solido è concettualmente assai semplice: è essenzialmente costituito da un involucro riempito di propellente e corredato di un ugello in corrispondenza della sezione d'uscita dei gas prodotti dalla combustione del propellente.

La massa di propellente contiene sia il combustibile sia il comburente così da determinare una completa combustione autoalimentata.

La spinta del motore a razzo a combustibile solido non può essere regolata: dipende dalla forma impressa alla superficie del propellente solido e dalla velocità di combustione.

Maggiore è la superficie esposta (superficie di combustione) e la velocità di combustione, maggiore è la spinta del motore. La velocità di combustione è strettamente legata al tipo di propellente utilizzato e alla pressione di esercizio (pressione di combustione). I componenti principali di un propulsore a propellente solido sono:

Rispetto ai propulsori a liquido, i solidi sono caratterizzati da un'elevatissima prontezza operativa, poiché il grano propellente può essere stivato senza problemi anche per anni, e non necessita di turbopompe di alimentazione. Per questi motivi questi propulsori sono utilizzati anche per la maggior parte dei missili imbarcati. Altre applicazioni sono nei booster di accelerazione dei principali lanciatori, che forniscono una spinta nei primi istanti di volo (Solid rocket boosters nello Space shuttle, boosters di Ariane 5 o del nuovo lanciatore italo-europeo Vega e vega c).

Una caratteristica del propellente è contenere polveri e nanopolveri di metalli, specie Alluminio, che aumentano l'impulso specifico del propulsore.

Gli impulsi specifici di propulsori a solido arrivano fino a 280-300 secondi.

Motori chimici a propellente ibrido

Lo stesso argomento in dettaglio: Razzo a propellenti ibridi.

Sono caratterizzati da una configurazione mista liquido/solido. Si hanno

A differenza dei solidi la combustione, una volta innescata, può essere interrotta. Al momento questo tipo di propulsori è allo studio, mentre è stata applicata solo una volta nella missione suborbitale di Space ship one.

Un altro nome dei razzi a propellente ibrido è razzi a litergolo.

Gli impulsi specifici degli ibridi arrivano fino a 350 secondi.

Tecniche di raffreddamento


A causa delle elevate temperature in camera di combustione e nell'ugello gasdinamico, soprattutto nel tratto convergente, sono necessari sistemi di controllo termico per proteggere le pareti dagli elevati flussi termici dati dai gas in fase di combustione o combusti. I maggiori sistemi di protezione termica sono:

Note


  1. ^ Si noti che l'Oxford Dictionary of English (sotto la voce «rocket») non rileva differenze tra i due termini.

Voci correlate


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Data: 06.10.2021 10:07:32 CEST

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