Motore a razzo

Il motore a razzo è un tipo di motore a reazione , cioè una macchina che proietta un fluido (gas o liquido) all'indietro, che trasmette per reazione una spinta al veicolo attaccato al motore, di forza uguale e in direzione opposta, in avanti. Il motore a razzo ha la particolarità di espellere un materiale che è interamente immagazzinato nella carrozzeria del veicolo. Questo tipo di motore viene utilizzato in particolare dai razzi perché, essendo autosufficiente, può operare in un mezzo privo di atmosfera, ma anche dai missili perché permette di raggiungere velocità molto elevate.

Generalmente, un motore a razzo funziona espellendo i gas che sono prodotti da una reazione chimica esotermica in una camera di combustione e che vengono accelerati da un ugello Laval . Le capacità di un motore a razzo sono principalmente caratterizzate dalla sua spinta , cioè dalla forza che può esercitare, e dal suo impulso specifico che è la misura della sua efficienza. Esistono molti tipi di motori a razzo: i principali sono i motori a razzo a propellente solido e i motori a razzo a propellente liquido .

Storia

Se il principio della propulsione, trasformando l'energia chimica in energia cinetica è conosciuto fin dai tempi antichi e lanciato fuochi d'artificio brani di polvere da sparo dal IX °  secolo, il motore a propellente liquido sono noti solo a partire dalla fine del XIX °  secolo. Fu solo negli anni successivi alla seconda guerra mondiale che subentrarono i motori a propellente a polvere e liquido, per la propulsione di missili e razzi spaziali. Da allora, si è continuato ad affinare e l'inizio del XXI °  secolo, il loro utilizzo rimane essenziale per la propulsione spaziale. Per ovviare alle loro carenze, si cercano soluzioni alternative, ad esempio per la propulsione di sonde spaziali o l'accelerazione atmosferica da parte di altri motori, più o meno simili: superstatoreactor , ionic engine o VASIMR .

Principio di funzionamento

Il motore a razzo è il tipo di motore con il principio di funzionamento più semplice: due propellenti bruciano in una camera di combustione , vengono accelerati da un ugello Laval e vengono espulsi ad alta velocità da un ugello .

Diverse caratteristiche si applicano ai motori a razzo:

• l' impulso specifico , espresso in secondi, misurando il tempo durante il quale un chilogrammo di propellente fornisce una spinta di un chilogrammo forza , o 9.80665 N . Più è alto, migliore è l'efficienza di massa del sistema, in termini di forza esercitata; tuttavia, è la quantità di movimento trasmessa al veicolo che conta, quindi l'energia ottimale non si ottiene massimizzando l'impulso specifico.

• il flusso di massa, corrispondente alla massa dei propellenti consumati per unità di tempo;
• la velocità di espulsione del gas, da cui dipende indirettamente la velocità raggiunta dal veicolo.

Ve=T0RM⋅2γγ-1⋅[1-(Pe/P0)(γ-1)/γ]{\ displaystyle V_ {e} = {\ sqrt {\; {\ frac {T_ {0} \; R} {M}} \ cdot {\ frac {2 \; \ gamma} {\ gamma -1}} \ cdot {\ bigg [} 1- (P_ {e} / P_ {0}) ^ {(\ gamma -1) / \ gamma} {\ bigg]}}}}

o:
Ve{\ displaystyle V_ {e}}	= velocità di uscita del flusso, m / s
T0{\ displaystyle T_ {0}}	= temperatura totale del fluido, K
R{\ displaystyle R}	=  costante universale dei gas ideali = 8,3145 J / (mol K)
M{\ displaystyle M}	= massa molare dei propellenti, kg / mol
γ{\ displaystyle \ gamma}	=  = rapporto di capacità termica vsp/vsv{\ displaystyle c_ {p} / c_ {v}}
vsp{\ displaystyle c_ {p}}	=  Capacità termica di massa del gas a pressione costante
vsv{\ displaystyle c_ {vb}}	= Capacità termica specifica a volume costante
Pe{\ displaystyle P_ {e}}	= pressione statica di uscita in pascal
P0{\ displaystyle P_ {0}}	= pressione totale del gas in pascal

• La spinta , misurata in Newton, viene calcolata come segue:

Fnon=m˙Ve+Ae(Pe-Pamb){\ displaystyle F_ {n} = {\ dot {m}} \; V_ {e} + A_ {e} (P_ {e} -P_ {amb})}

o:

m˙={\ displaystyle {\ dot {m}} = \,}flusso di massa in chilogrammi al secondo (kg / s) Ve={\ displaystyle V_ {e} = \,}velocità di uscita in metri al secondo Ae={\ displaystyle A_ {e} = \,}area di flusso in uscita in metri quadrati (m²) Pe={\ displaystyle P_ {e} = \,}pressione statica di uscita in pascal (Pa) Pamb={\ displaystyle P_ {amb} = \,}pressione ambiente in pascal

• Il rapporto peso / spinta, che rappresenta il peso del motore sulla sua spinta. Più leggero è il motore e maggiore è la sua spinta, più vantaggioso è il suo rapporto.

Motore a propellente solido

Questo è il modello più semplice e richiede pochissimi mezzi e cure, i propellenti solidi possono essere immagazzinati per diversi anni, facili da trasportare ed economici. Per tutti questi motivi, si trova nella maggior parte dei missili tattici e balistici e nei booster booster. Il termine propellente viene utilizzato per indicare una miscela ossidante / riducente indipendente da questo tipo di motore.

La combustione idealmente avviene in strati paralleli. La geometria iniziale del blocco propellente fissa quindi la legge di evoluzione della superficie del blocco, quindi la sua legge di flusso e spinta. Le geometrie più comuni sono:

• con combustione frontale: il blocco brucia "come una sigaretta", cioè con una superficie di combustione piccola rispetto al volume ma costante;
• con un canale: viene realizzato un canale nell'asse del blocco e la combustione evolve radialmente. Il canale può essere asimmetrico o avere un motivo particolare, stella, U o rotondo.

I propellenti più comuni sono:

• polvere nera , molto spesso usata nell'edilizia amatoriale.
• Monergol a base di nitrocellulosa , migliorato con l'aggiunta di alluminio .
• Nitrato di ammonio , spesso miscelato con polvere di alluminio .
• Perclorato di ammonio
• Zinco - Zolfo

Altre combinazioni possono essere fatte, nella maggior parte dei casi, con uno o più degli elementi sopra menzionati.

Per dare un esempio della reale complessità (oltre alle informazioni di base fornite sopra), nel caso di alto profilo dei propulsori booster dello Space Shuttle degli Stati Uniti, la miscela di propellente in ciascun motore di propulsione è costituita da (% in massa):

• 69,6% di perclorato di ammonio - l'ossidante / ossidante
• 16% di alluminio: il carburante
• 12,04% di polimero che lega i due componenti
• 1,96% di un detergente epossidico
• 0,4% ossido di ferro - catalizzatore

Motore a combustibile liquido

Questi motori (es. Energia booster ) utilizzano propellenti immagazzinati in serbatoi separati, che vengono iniettati in una camera di combustione e poi espulsi attraverso l' ugello , generando la spinta. Molto più efficienti dei modelli a propellente solido, sono tuttavia complessi da progettare, produrre e utilizzare. A partire dal 2011, praticamente tutti i motori di razzi e veicoli spaziali con equipaggio sono di questo tipo. Un altro vantaggio dei motori a propellente liquido è la loro facilità di controllo della combustione, infatti è possibile regolare la spinta e spegnerli e riaccenderli più volte di seguito. Quest'ultima caratteristica li rende molto utili per i motori a nonio .

Le principali coppie di propellenti sono:

• acido nitrico - cherosene
• idrogeno liquido - ossigeno liquido (LOX)
• LOX-cherosene
• perossido di idrogeno
• ossigeno - idrazina
• perossido di azoto - cherosene
• perossido di azoto - idrazina
• perossido di azoto - 1,1-dimetilidrazina

Il motore può essere raffreddato in tre modi: o facendo circolare un propellente (generalmente il carburante) attorno al motore (primi modelli), o spruzzando internamente l'ossidante sulla parete (motori di dimensioni ridotte), oppure utilizzando queste due possibilità (motori principali). Spesso questi motori utilizzano propellenti liquidi criogenici conservati a temperature molto basse.

Camera di combustione

La camera di combustione è la parte in cui i propellenti vengono iniettati e bruciati. Questo è anche il luogo in cui viene effettuato il raffreddamento interno. Le sue dimensioni dipendono dalla coppia di propellenti e dal tipo di iniettori.

Ugello Laval

L'ugello Laval è la parte situata tra la camera di combustione e l'ugello. Viene utilizzato per accelerare il gas alla velocità del suono .

Ugello

L'ugello è la parte in cui i gas accelerano ed escono dal motore. La sua forma caratteristica è dovuta alla necessità di adattare la pressione del flusso in uscita alla pressione ambiente, per ragioni di combustione e stabilità di spinta. Tuttavia, man mano che si guadagna quota, il diametro dell'uscita dovrebbe allargarsi, il che è difficile da fare con una configurazione convenzionale. Per ovviare a questo problema, è stato sviluppato un nuovo tipo di ugello: l'ugello con compensazione dell'altitudine, o "  aerospike  ". Questo tipo di ugello ha la particolarità di lasciare un ampio spazio per i gas, permettendo loro di "aderire" alle variazioni di pressione.

• Ugello di tipo "aerospike" con compensazione in altezza. I gas si attaccano al muro e possono espandersi senza problemi.

• Evoluzione della temperatura, velocità e pressione dei gas.

• Dall'alto al basso: pressione ambiente troppo bassa, ideale, leggermente troppo alta, troppo alta.

Motori a propellente ipergolico

I propellenti ipergolici hanno la particolarità di accendersi spontaneamente quando vengono portati a contatto, il che consente di semplificare una parte del motore, perché il dispositivo di accensione diventa quindi superfluo.

Esempio: il motore di risalita del modulo lunare del programma Apollo , i motori di manovra dello space shuttle .

Motori al litio (propulsione ibrida)

Questi motori utilizzano un propellente solido e un altro liquido, generalmente un combustibile solido e un ossidante liquido. Questa categoria include il motore della navicella spaziale SpaceShipOne .

Motori a propellente singolo

I motori monopropellenti non utilizzano per il loro funzionamento un propellente, quest'ultimo ha la particolarità di autoinfiammarsi in presenza di un catalizzatore o di una fonte di calore. Alcuni motori che funzionano principalmente con perossido di idrogeno sono emersi nei primi giorni dell'era spaziale, sono ancora utilizzati nelle costruzioni hobbistiche.

Motori Triergol

I motori Triergol utilizzano tre propellenti per ottimizzare il compromesso tra la spinta e il volume dei serbatoi, questa configurazione non è operativa. Si può citare ad esempio il russo RD-701, operante con la miscela LOX -LH2-cherosene, che doveva equipaggiare l' aereo spaziale MAKS .

Prospettiva

Motori a razzo nucleare

La propulsione nucleare spaziale applica la fissione nucleare ai motori a razzo, che potrebbero produrre una spinta considerevole e di lunga durata. Nessun motore di questo tipo è stato utilizzato (i grandi rischi di incidenti e inquinamento hanno impedito lo sviluppo di queste tecnologie).

Secondo il Journal of Spacecraft and Rockets (2018), ricercatori inglesi e ucraini hanno proposto di abbandonare l'idea di una camera solida contenente carburante liquido a favore di una camera solida stessa fatta di carburante. Questa camera si "mangerebbe da sola" e il razzo si schiarirebbe un po 'di più man mano che si sollevava nell'atmosfera. I test iniziali suggeriscono che questo approccio non impedirebbe un buon controllo dell'acceleratore (capacità di accelerazione ).

Riferimenti

1. Kollen Post (2018) "Leaner and meaner: rockets that eat yourself " , Science News , 1 giugno 2018.

Vedi anche

Articoli Correlati

• Razzo
• Motore
• Motore a reazione
• Motore a razzo a combustibile liquido
• Aereo a razzo
• Razzo d'acqua
• Ugello
• Propellente liquido

Bibliografia

• Daniel Marty ( pref.  Daniel Mugnier), Sistemi spaziali: design e tecnologia , Parigi, Masson,1994, 336  p. ( ISBN  978-2-225-84460-7 , OCLC  31138733 )
• Philippe Couillard , Lanciatori e satelliti , Tolosa, Éditions Cépaduès ,2004, 246  p. ( ISBN  978-2-85428-662-5 , OCLC  420071709 )
• (it) George Paul Sutton, Storia dei motori a razzo a propellente liquido , Reston, American Institute of Aeronautics and astronautics,2006, 911  p. ( ISBN  978-1-56347-649-5 , OCLC  63680957 )
• (it) George P Sutton e Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements 8 th edition , Hoboken, NJ, Wiley ,2010, 768  p. ( ISBN  978-0-470-08024-5 , leggi online )

link esterno

• ( fr ) Riassunto delle caratteristiche e del funzionamento di un motore a razzo
• ( fr ) Principali problemi tecnici riscontrati con i motori a razzo
• (it) Maggiori informazioni sugli ugelli "aerospike" e classici