Propulsione a reazione

2.3

Motori a turboelica

Un motore a turboelica è dotato nella sua parte anteriore di un'elica, azionata da una seconda turbina o da stadi addizionali della turbina che aziona il compressore. Circa il 90% dell'energia fornita dai gas in espansione è utilizzata per azionare l'elica, e solo il rimanente 10% per accelerare i gas di scarico, che quindi contribuiscono alla spinta complessiva in parte minima. Questo tipo di motore ha determinati vantaggi per aerei di piccola e media dimensione, e per velocità fino a circa 480 o 640 km/h: non può tuttavia competere con turboreattore e turbofan per grandi aerei e alte velocità.

2.4

Autoreattori

L'aria che incontra l'imboccatura di un motore in volo ad alta velocità è parzialmente compressa dal cosiddetto 'effetto maglio'. Se la velocità dell'aria è abbastanza alta, tale compressione può essere sufficiente a far funzionare un motore senza compressore né turbina. L'autoreattore, così si chiama il motore basato su questo principio, è aperto alle due estremità e possiede gli ugelli per il carburante nel mezzo. È soprannominato tubo da stufa volante, ma naturalmente non è un semplice tubo da stufa: è dotato di un diffusore, disegnato in modo da ottenere aria a bassa velocità e alta pressione nella sezione di combustione, e di un ugello di uscita di forma opportuna. Gli autoreattori possono funzionare a velocità superiori a 320 km/h, sebbene siano adatti per applicazioni militari solo a velocità molto alte, o supersoniche. Non possono operare a velocità zero, perché manca la compressione dell'aria in ingresso: l'avviamento di un autoreattore richiede perciò che questo venga prima portato a velocità sufficiente per il suo funzionamento.

2.5

Pulsoreattori

I pulsoreattori sono simili agli autoreattori, eccetto che per una serie di valvole a lamelle, tenute chiuse da molle, situate a monte della camera di combustione. Nei pulsoreattori la combustione è intermittente: l'aria entra attraverso le valvole e inizia la combustione, che fa aumentare la pressione e chiudere le valvole, impedendo l'uscita dell'aria dalla bocca di ingresso. I gas caldi vengono espulsi attraverso l'ugello posteriore, generando la spinta e facendo diminuire la pressione nella camera, in modo che le valvole si riaprano e possa entrare nuova aria fresca. Il ciclo si ripete. Il più famoso pulsoreattore fu quello del missile tedesco V-1, o buzz bomb, usato alla fine della seconda guerra mondiale, che funzionava a una frequenza di circa 40 cicli al secondo.

L'effetto pulsante si può ottenere anche senza valvole, generando delle onde di pressione che viaggiano in avanti e indietro, attraverso un motore opportunamente sagomato. Un pulsoreattore produce una spinta anche a velocità zero, e può partire da fermo, ma la massima velocità di volo possibile non supera i 960 km/h. Scarsa efficienza, grandi vibrazioni e un forte rumore ne limitano l'uso a veicoli economici e privi di pilota.

2.6

Propulsori a getto liquido

La propulsione a getto non è limitata all'uso dei gas come fluido di operazione; si possono utilizzare anche liquidi, come l'acqua. Un semplice esempio di propulsione a getto idraulico è l'innaffiatore rotante da giardino.

Fin dagli anni Venti, ingegneri inglesi e svedesi hanno tentato di sviluppare la propulsione a getto idraulico per le navi. In tali sistemi l'acqua entra dalla parte anteriore della nave, passa attraverso pompe ad alta pressione e viene scaricata a poppa da uno o più ugelli che producono getti ad alta velocità. Per rendere i propulsori a getto idraulico competitivi con altri tipi di propulsori navali, è necessario utilizzare pompe molto efficienti e alte velocità di espulsione. Benchè non si siano rivelati molto efficaci nel caso di grandi navi, oggi i propulsori a getto d'acqua sono correntemente utilizzati in alcune imbarcazioni veloci e da diporto.

3

Cenni storici

L'efficacia di un getto come forma di propulsione è nota da centinaia d'anni, sebbene il suo uso per veicoli da carico sia relativamente recente. Il primissimo motore a reazione conosciuto fu un congegno sperimentale a vapore, inventato nel III secolo a.C. dal matematico e scienziato greco Erone di Alessandria. Nota come eolipila, la macchina di Erone non aveva utilizzo pratico, ma dimostrava che un getto di vapore uscente all'indietro spingeva il suo generatore in avanti. L'eolipila consisteva in una camera sferica, nella quale veniva spinto del vapore attraverso dei supporti cavi. Il vapore usciva da due tubi piegati ad angolo, attaccati da parti opposte della sfera, facendola ruotare per reazione.

L'invenzione della turbina a vapore è accreditata all'ingegnere italiano Giovanni Branca, che nel 1629 diresse un getto di vapore su una ruota a palette, che a sua volta azionava un mulino a pestelli. Il primo brevetto per una turbina a gas fu ottenuto nel 1791 dall'inventore inglese John Barber.

Nel 1910, sette anni dopo il primo volo degli inventori americani Wilbur e Orville Wright, lo scienziato francese Henri Marie Coanda progettò e costruì un biplano con propulsore a getto, che decollò e volò pilotato dall'inventore stesso. Coanda definì il suo motore 'a reazione', ma, scoraggiato dal disinteresse generale della gente, abbandonò gli esperimenti.

Nei successivi vent'anni la turbina a gas fu perfezionata sia negli Stati Uniti che in Europa. Un risultato del lavoro sperimentale di quel periodo fu il perfezionamento, nel 1918, di un turbocompressore d'alimentazione, funzionante con i gas di scarico di una turbina, per i motori di velivoli convenzionali. Nei primi anni Trenta, numerosi brevetti di turbine a gas furono riconosciuti a ingegneri europei. L'ingegnere aeronautico inglese Frank Whittle ottenne nel 1930 il brevetto per quello che è considerato il primo modello funzionante di moderna turbina a gas; nel 1935 Whittle applicò i suoi studi alla realizzazione del turboreattore W-1, che compì il suo primo volo nel 1941.

Intanto, l'ingegnere aeronautico francese René Leduc aveva presentato a Parigi nel 1938 un modello di autoreattore. Un aereo dotato di un turboreattore, progettato dall'ingegnere tedesco Hans Pabst von Ohain, fece il suo primo volo nel 1939. L'anno seguente, sotto la direzione dell'ingegnere Secundo Campini, gli italiani costruirono un aereo dotato di motore a turboelica con un compressore azionato da un motore alternativo. Il primo aereo a reazione costruito in America, il Bell XP-59, era alimentato dal turboreattore General Electric 1-16, derivato nel 1942 dal motore Whittle. Il primo motore a reazione interamente americano fu prodotto dalla Westinghouse Electric Corporation per la Marina americana nel 1944.

Derivato da una idea del 1906, il primo pulsoreattore fu costruito dall'ingegnere tedesco Paul Schmidt, che ne ottenne il brevetto nel 1931. La V-1, che volò per la prima volta nel 1942, era dotata di un pulsoreattore. Anche i primi voli commerciali con aerei dotati di motore a turboelica si verificarono verso la metà degli anni Quaranta.

Nel 1947 l'aereo sperimentale Bell X-1, dotato di un motore a razzo a propellente liquido con quattro camere di combustione, trasportato nella stratosfera e lanciato da un bombardiere, fu il primo aereo con pilota a infrangere il muro del suono. Successivamente l'aereo sperimentale Douglas Skyrocket, dotato di un turboreattore, oltre che di un motore razzo a propellente liquido, infranse il muro del suono a bassa quota, dopo essere decollato coi propri mezzi.

Il primo aereo a reazione commerciale, l'inglese Comet, entrò in servizio nel 1952, ma il volo fu sospeso dopo due seri incidenti nel 1954. Negli Stati Uniti, il Boeing 707 fu il primo aereo commerciale di questo tipo messo in prova (1954). I voli di linea incominciarono nel 1958.

Lo sviluppo continuo della propulsione a getto ha portato enormi progressi nel dominio del cielo da parte dell'uomo: oggi è possibile far volare aerei con pilota a velocità diverse volte maggiori di quella del suono, lanciare missili balistici intercontinentali e usare potenti razzi per spingere nello spazio satelliti artificiali.