SCIENZE - AERONAUTICA - I MOTORI A REAZIONE

PRESENTAZIONE

Proviamo a fare un divertente esperimento. Prendiamo un mattone, calziamo dei pattini da ghiaccio, portiamoci in mezzo ad una pista e lanciamo il mattone. Si produrranno due effetti: il mattone viaggerà nella direzione in cui l'abbiamo lanciato, mentre noi procederemo nella stessa direzione solo nell'altro senso. Ancora, prendiamo un palloncino pieno d'aria e sciogliamo l'apertura; il palloncino schizzerà veloce fino a che non si sarà completamente sgonfiato. Quando spariamo, il colpo provocherà il rinculo dell'arma.
La velocità con la quale noi viaggeremo sul ghiaccio, con la quale volerà il pallone e l'intensità del rinculo dell'arma dipenderanno rispettivamente dal peso del mattone e dalla forza che abbiamo impiegato nel lancio, dalla quantità d'aria che il pallone conteneva e dalla velocità con cui è stata espulsa, dal peso del proiettile e dalla carica.
In questi due esperimenti noi abbiamo verificato la validità della terza legge di Newton: ad ogni forza ne corrisponde una eguale e contraria.
I motori a reazione sfruttano proprio il principio di azione-reazione. Con vari metodi spingono dietro sé stessi una gran quantità di gas derivanti dalla combustione di un carburante: la spinta in avanti sarà proporzionale alla quantità di gas espulsi e all'accelerazione che il motore riesce ad imprimere alle particelle dei gas .
Il principio di funzionamento dei motori a reazione è veramente semplice, tuttavia le difficoltà tecniche sono notevoli e la storia di queste macchine è legata al più alto sviluppo tecnologico.

STORIA E TECNICA DEI MOTORI A REAZIONE

L'idea di utilizzare il terzo principio di Newton era già stata presa in considerazione verso la fine del '700: un forte getto di gas derivanti dalla combustione di combustibile liquido avrebbe dovuto muovere le pale di una turbina. Subito si presentarono difficoltà insormontabili; i getti di gas incandescente corrodevano le pale e le deformavano fino a piegarle e spezzarle. Durante il secolo scorso molti cercarono di trovare una soluzione a questo problema: addirittura ci fu chi costrui le palette della turbina in quarzo, un materiale refrattario al calore ma estremamente fragile.
Solo i notevoli progressi della siderurgia e la scoperta di leghe metalliche dalle caratteristiche eccezionali hanno permesso la realizzazione dei primi prototipi di motori a turbina, poco prima dello scoppio del secondo conflitto mondiale.
Nella sua forma più semplice, un motore a turbina è costituito da un compressore, una camera di combustione e uno spruzzatore, una turbina e un ugello d'uscita. L'aria viene prima compressa e spinta con notevole velocità nella camera di combustione dove si miscela con il carburante nebulizzato dallo spruzzatore; a causa della notevole pressione la miscela aria-carburante si incendia e i gas incandescenti passano prima per le pale della turbina, solidali allo stesso asse delle ruote del compressore, poi escono attraverso l'ugello. Questo tipo di motore è chiamato turbo-getto e fu perfezionato da un ufficiale dell'aviazione inglese, Frank Whittle, nel 1930.
Il grosso vantaggio dei motori a turbina è costituito dalla loro leggerezza e per questo motivo hanno subito trovato applicazioni nelle costruzioni aeronautiche.
Altri tipi di motore a getto sono: quello a impulsi, impiegato dai tedeschi per spingere gli aerei-bomba V1 in Inghilterra (II guerra mondiale), e il Ram-jet.
Il motore a getto d'impulso era formato da una camera di detonazione aperta davanti e dietro; l'apertura anteriore era ostruita da lamelle embricate che ricordano le stecche delle persiane alla veneziana.
Una certa quantità di cherosene veniva spruzzata nella camera e fatta detonare; l'onda d'urto chiudeva le lamelle e ai gas residui dell'esplosione non restava che l'uscita posteriore. Poi l'aria d'incontro faceva riaprire le lamelle e così via.
Il Ram-jet è un motore che funziona a velocità tali che non è necessario il compressore per accelerare l'aria d'entrata.
Naturalmente questi motori a getto; che utilizzano anche le turbine e l'ossigeno atmosferico, non possono funzionare nello spazio. I motori a reazione dei missili devono infatti non solo trasportare il combustibile, ma anche il comburente (l'ossigeno) per funzionare. Infatti nello spazio senza atmosfera niente potrebbe bruciare.
I razzi sono formati essenzialmente da una camera di combustione e da un ugello di scarico. Essi si dividono in due grandi categorie: razzi a combustibile solido e a combustibile liquido. I più antichi sono certamente i razzi a combustibile solido, inventati intorno all'anno 1000 d.C. in Cina: in pratica erano dei petardi a polvere pirica. Il combustibile solido è una miscela di sostanza ossidante (comburente) e riducente (combustibile); in genere il combustibile è costituito da idrocarburi solidi, come la paraffina, mischiati con nitroglicerina o nitrocellulosa oppure con nitrato d'ammonio o clorato di potassio. I vantaggi dei combustibili solidi sono: la possibilità di prepararli molto prima del lancio e una semplicità maggiore delle operazioni di carico.
Gli svantaggi sono dovuti essenzialmente alla difficoltà di modulare l'erogazione della potenza.
Più pratici e con un'autonomia maggiore sono i missili a combustibile liquido. Nel razzo ci sono due serbatoi separati per combustibile e comburente, in genere idrogeno ed ossigeno liquidi, mentre delle pompe spingono i due componenti nella camera di combustione.
I missili a corto raggio ad uso militare o per l'esplosione dell'atmosfera sono generalmente alimentati da combustibile solido, mentre per i trasporti astronautici sono preferiti i razzi a combustibile liquido.
Razzo vettore sovietico

Dassault Rafale, prototipo per il collaudo dell'ACT/ACM

IL FUTURO DEI MOTORI A REAZIONE

Presto l'uomo si sentirà pronto per affrontare il grande passo nello spazio: il primo viaggio interplanetario.
Per compierlo saranno necessari motori potenti ma soprattutto dotati di un'autonomia incredibile. Questi motori con tutta probabilità saranno motori nucleari.
Il propellente di un motore nucleare è l'idrogeno liquido che, passando attraverso un reattore nucleare molto simile alla pila di Fermi, si scalda enormemente diventando gas che esce con forza dall'ugello. Tecnicamente non avviene alcuna combustione.
Questo tipo di motore atomico, ancora in fase di studio, sarebbe in grado di sviluppare una buona spinta con un ridotto consumo di combustibile.

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