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.