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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.