Propulsione a reazione

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Introduzione

Propulsione a reazione Spinta in avanti impartita a un oggetto per reazione all'espulsione all'indietro di un getto di liquido o di gas ad alta velocità. Un semplice esempio di propulsione a reazione è il movimento di un palloncino gonfiato, quando l'aria ne fuoriesce improvvisamente: finchè il palloncino è tenuto chiuso, la pressione dell'aria all'interno è uguale in tutte le direzioni, ma quando l'imboccatura per l'aria viene lasciata libera, la pressione interna presso l'apertura diventa minore che dalla parte opposta, e il palloncino ha un balzo in avanti.

Un motore a reazione non funziona in maniera così semplice come il palloncino, ma il principio base è lo stesso. Più importante dello sbilanciamento di pressione, è la forte accelerazione impressa dal getto che lascia il motore, ottenuto mediante le forze che, nel motore stesso, spingono i gas all'indietro. Per la seconda legge di Newton (vedi Meccanica) queste forze sono proporzionali alla rapidità di aumento della quantità di moto del gas che, in un motore a reazione, è determinata dal prodotto del flusso di massa espulsa per la velocità relativa di espulsione. Come prescrive la terza legge di Newton – secondo la quale a ogni forza corrisponde una reazione uguale e contraria – la conseguenza della forza diretta all'indietro è una reazione in avanti, chiamata 'spinta'. La spinta è simile al rinculo del cannone, che aumenta con l'aumentare della massa del proiettile o della sua velocità di lancio, o di entrambi. Motori dotati di grandi spinte si realizzano con grandi flussi di massa e con grandi velocità di espulsione, raggiungibili solo aumentando le pressioni interne del motore e il volume del gas per mezzo della combustione.

I motori a reazione sono usati soprattutto per gli aeroplani che volano a grande velocità e ad alta quota, nei missili e nei veicoli spaziali .

La potenza viene fornita da un combustibile ad alta energia che viene bruciato sotto forte pressione per produrre il grande volume di gas necessario a ottenere forti velocità di espulsione. L'ossidante necessario alla combustione può essere l'ossigeno dell'aria, che viene aspirato dal motore e compresso, o un ossidante trasportato dal veicolo stesso, in modo che il motore non dipenda dall'esistenza di un'atmosfera circostante. Tra i motori che prelevano ossigeno dall'atmosfera (esoreattori) vi sono il turboreattore, il turboreattore a doppio flusso (turbofan), il turboelica, l'autoreattore e il pulsoreattore (vedi sotto). I motori che funzionano senza atmosfera sono detti motori a razzo.

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Propulsori a getto

Gli esoreattori richiedono il flusso di una grande massa d'aria che viene prima compressa, poi usata per ossidare il combustibile e infine fatta espandere fino alla pressione atmosferica attraverso un ugello, in modo da ottenere grandi velocità di uscita.

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Turboreattori

Gli esoreattori più usati sono i turboreattori. Dopo essere stata introdotta nel motore attraverso una bocca, l'aria viene prima compressa, per aumentarne la pressione, e successivamente spinta nella camera di combustione (vedi Compressore). La potenza necessaria a far funzionare il compressore è fornita da una turbina posta tra la camera di combustione e l'ugello.

Tutti i propulsori a getto per aereo usano un compressore assiale, nel quale l'aria scorre in direzione dell'asse, attraverso una serie di file alternate di palette fisse e mobili, denominate rispettivamente distributori e giranti. Le palette sono sistemate in modo che l'aria arrivi su ciascuna fila ad alta velocità: percorrendo la fila attraverso le fessure, l'aria è rallentata, aumentando la pressione. I moderni compressori assiali possono aumentare la pressione di 24 volte in 15 stadi, essendo ciascuno stadio costituito da una fila di distributori e giranti.

L'aria compressa poi entra nella camera di combustione, dove viene mescolata ai vapori di combustibile, e quindi bruciata. Per il miglior rendimento, la temperatura di combustione deve essere la massima ottenibile dalla combustione completa di combustibile e ossigeno. Questa temperatura, tuttavia, scalderebbe troppo la turbina: la temperatura di ingresso alla turbina, che di solito condiziona le prestazioni di un turboreattore, non può superare i 1100 °C, a causa della limitata resistenza termica dei materiali. Per ridurre tale temperatura l'aria viene divisa in due parti, di cui una viene mescolata al combustibile e bruciata, mentre l'altra viene usata per raffreddare la turbina stessa.

Nella turbina, che funziona in modo contrario al compressore, i gas si espandono parzialmente, passando alternativamente attraverso distributori e giranti. All'entrata di ogni fila di palette la velocità è piccola, ma lungo il percorso il gas si espande e acquista velocità, mettendo in rotazione la turbina. Questa aziona il compressore (a cui è collegata mediante l'albero centrale), la pompa del combustibile, il generatore elettrico e altri accessori.

I gas, che a questo punto del processo si trovano a una pressione intermedia, si espandono attraverso l'ugello di scarico, dove raggiungono infine la forte velocità di espulsione desiderata. La spinta massima si otterrebbe se il gas raggiungesse nell'ugello la pressione atmosferica: ciò in pratica richiederebbe ugelli troppo grandi e troppo pesanti, per cui ci si accontenta di ugelli di dimensioni ridotte, con i quali la pressione finale è leggermente più alta di quella ottimale e che riducono di poco il rendimento del motore.

Un turboreattore non può avviarsi da solo, ma deve venire avviato da un motore esterno: il combustibile viene incendiato da una candela arroventata; una volta avviata, la combustione si mantiene senza bisogno dell'intervento di ulteriori scintille.

La spinta fornita dal turboreattore diminuisce all'aumentare della temperatura dell'aria circostante, perché la minore densità dell'aria calda fa sì che il flusso della massa che attraversa il motore sia inferiore. Nei giorni caldi, si può aumentare la spinta al decollo iniettando acqua all'ingresso del compressore, in modo che l'evaporazione raffreddi l'aria.

Nei motori militari, si ottengono rapidi aumenti di velocità o spinta addizionale per il decollo e la manovra ascendente (cabrata) con un secondo bruciatore, o postbruciatore, installato tra la turbina e l'ugello. Nel postbruciatore, nuovo combustibile viene aggiunto all'aria in uscita, per bruciare l'ossigeno non utilizzato nella camera di combustione; questo sistema incrementa sia il volume d'aria, sia la velocità del getto. La scarsa efficienza del postbruciatore, tuttavia, ne limita l'uso ai casi che richiedono grandi scatti di velocità.

2.2

Turboreattori a doppio flusso (turbofan o bypass)

Il turbofan è un miglioramento del turboreattore. Dell'aria in ingresso, una parte è compressa solo parzialmente e inviata direttamente in una camera esterna, oltre la turbina. Quest'aria si mescola con l'altra, proveniente dalla turbina, prima di raggiungere l'ugello. Il turbofan offre una spinta maggiore per il decollo e per la cabrata, e maggior rendimento; inoltre il condotto che trasporta il secondo flusso raffredda il motore e riduce il rumore.

In taluni motori, l'aria del secondo flusso non è rimescolata nel motore, ma espulsa direttamente. In questo tipo di motori, detti a bypass, solo circa un sesto dell'aria in ingresso attraversa tutto il motore: i rimanenti cinque sesti vengono compressi nel primo compressore, detto ventilatore, e direttamente espulsi. Per le parti ad alta e bassa pressione del motore sono richieste due diverse velocità di rotazione: pertanto ci sono due sistemi turbina-compressore separati, ruotanti su due alberi concentrici. Una turbina ad alta pressione in due stadi aziona il compressore ad alta pressione a 11 stadi, entrambi montati sull'albero esterno, mentre una turbina a quattro stadi aziona il ventilatore e un compressore a bassa pressione a quattro stadi, montati sull'albero interno. Un esempio di motore di questo tipo è il JT9D-3, che pesa circa 3850 kg e può sviluppare una spinta al decollo di circa 20.000 kg, più del doppio della spinta disponibile per i più grandi aerei commerciali, prima del Boeing 747.

L'attuale ricerca nel campo dei turboreattori e dei turbofan è ampiamente indirizzata a ottenere maggiore efficienza nei compressori e nelle turbine, a progettare sistemi speciali di raffreddamento delle palette, per permettere più alte temperature dell'aria in ingresso alle turbine e per ridurre il rumore del getto.