Ugello

Un ugello ( ugello propulsore nell'area dell'Astronautica ) è un condotto di sezione trasversale variabile nella parte posteriore di un motore che produce gas di combustione caldi che converte l'energia termica degli stessi in energia cinetica . Per raggiungere questo obiettivo ea seconda del contesto di attuazione, un ugello può essere convergente, divergente o comprendere una sezione convergente e un'altra divergente ( ugello di Laval ). In particolare, ci sono ugelli nella parte posteriore dei motori a reazione che equipaggiano gli aeroplani e sui motori a razzo che lanciano missili e lanciatori .

Principio di funzionamento

L'obiettivo di un ugello è quello di aumentare l'energia cinetica del fluido che lo attraversa, cioè la sua velocità, trasformando la sua energia interna, cioè la sua temperatura.

Il principio di funzionamento di un ugello si basa sulle proprietà dei gas quando circolano a velocità subsoniche e supersoniche. Quando un gas scorre a velocità subsonica attraverso un tubo di diametro ridotto, la sua velocità aumenta. Tuttavia, la velocità del gas non può superare quella del suono (Mach 1). Infatti, in un regime di flusso supersonico (velocità maggiore della velocità del suono) il comportamento del gas è invertito: affinché la sua velocità aumenti, deve aumentare il diametro del tubo. Questo comportamento del gas si basa sul principio dell'accelerazione del gas descritto dall'equazione di Hugoniot :

{\ frac {dS} {S}} = (M ^ {2} -1) {\ frac {dv} {v}}

S è l'area della sezione trasversale del condotto, v la velocità e M il numero di Mach $M = v / c$

Un ugello può essere convergente, divergente o sia convergente che divergente:

Un ugello convergente consente di accelerare i gas che scorrono a velocità subsoniche. Se la pressione è sufficiente, la velocità può raggiungere Mach 1 all'uscita dell'ugello, ma non può superare questo valore.
Un ugello divergente consente di accelerare i gas che sono già a velocità supersonica all'ingresso dello stesso.
Un ugello convergente e divergente ( Ugello di Laval ) le cui caratteristiche sono sviluppate di seguito.

Caso dell'ugello Laval

Un ugello Laval consente di accelerare i gas da una velocità subsonica a una velocità supersonica combinando i due effetti sopra descritti. I gas vengono accelerati fino a Mach 1 nella sezione convergente dell'ugello e quindi accelerati sopra Mach 1 nella sezione divergente. Un ugello Laval ha quindi tre sottogruppi:

convergere
il collo dove il diametro della sezione è minimo
la porzione divergente che può essere a forma di cono o di campana o può essere costituita dalle pale nel caso di una turbina a gas .

Velocità dei gas espulsi: caso di un motore a razzo

Maggiore è la velocità dei gas espulsi, più efficiente è la conversione dell'energia interna in energia cinetica. Nel caso di un motore a razzo , i gas sono prodotti dalla combustione di propellenti in condizioni di alta pressione. La velocità dei gas espulsi viene calcolata utilizzando la seguente equazione:

v_ {e} = {\ sqrt {{\ frac {TR} {M}} \ cdot {\ frac {2 \ gamma} {\ gamma -1}} \ cdot \ left [1- \ left ({\ frac { p_ {e}} {p}} \ destra) ^ {{{\ frac {\ gamma -1} {\ gamma}}}} \ destra]}}

con:
$v_e$	= Velocità dei gas all'uscita dell'ugello in m/s
$T$	= Temperatura all'ingresso dell'ugello
$R$	= Costante universale dei gas ideali
$M$	= Massa molecolare del gas in kg / kmol
$\gamma$	= = Coefficiente adiabatico ${\ frac {c_ {p}} {c_ {v}}}$
$c_p$	= Capacità termica del gas a pressione costante
$CV$	= Capacità termica del gas a volume costante
$p_ {e}$	= Pressione del gas all'uscita dell'ugello
$p$	= Pressione del gas all'ingresso dell'ugello

La velocità risultante può essere ottimizzata attraverso tre parametri:

La temperatura nella camera di combustione
Il rapporto tra la pressione all'ingresso e all'uscita dell'ugello
Tipi di propellenti bruciati (massa molecolare dei gas di combustione)

Esempi

L'unico di questi parametri che dipende dalle caratteristiche dell'ugello è il rapporto di pressione. Possiamo illustrare la sua influenza nel caso di un motore che brucia una miscela ossigeno/idrogeno con una pressione interna di 115 bar (caso del motore Vulcain 2 di Ariane 5 ): con a = 1.2 la velocità del gas scende di circa il 14% se il la pressione in uscita è di 5 bar invece di 1 bar. $\gamma$

In pratica le velocità dei gas combusti rientrano nei seguenti intervalli:

1.700 a 2.900 m / s per il liquido monopropellente motori a razzo
Da 2.900 a 4.500 m/s per motori a razzo a combustibile liquido
Da 2100 a 3200 m/s per motori a propellente solido

Le differenze di velocità di espulsione sono legate alla scelta dei propellenti (reazioni chimiche più o meno esotermiche e quindi temperature più o meno elevate), alla pressione in camera di combustione, al ciclo di combustione scelto (più o meno perdite) e alla durata della porzione divergente (espansione ottimale del gas).

Aree di applicazione degli ugelli

Gli ugelli trovano diversi tipi di applicazione:

L'ugello del motore a reazione di un aeroplano o il motore a razzo di un razzo contribuisce alla forza propulsiva o forza di reazione mediante l'espansione dei gas caldi prodotti dalla combustione dei propellenti.
Nel caso di una turbina a gas , i gas prodotti dalla combustione consentono di mettere in moto l'albero di un alternatore che fornisce energia elettrica. L'energia del fluido si trasforma in energia meccanica. Le lame svolgono il ruolo di divergenti. Il fluido può essere acqua proveniente da una diga alimentata da un tubo ad alta pressione oppure acqua proveniente dal circuito secondario di un reattore nucleare portata ad altissima temperatura/pressione.
Il principio dell'ugello viene utilizzato anche sulla parte centrale degli ugelli di iniettori o atomizzatori .

Ugello motore a razzo

Ruolo e funzionamento dell'ugello del motore a razzo

Il motore a razzo è il sistema di propulsione che i razzi utilizzano per accelerare a velocità ipersoniche pur essendo in grado di funzionare nel vuoto, vale a dire senza dover aspirare l'ossidante dall'atmosfera. I propellenti immagazzinati a bordo bruciano in una camera di combustione ei gas prodotti vengono accelerati da un ugello Laval . Producono una spinta che aumenta la velocità del razzo secondo la legge di conservazione della quantità di moto . L'ugello svolge un ruolo centrale nell'efficienza di questa propulsione convertendo l'energia termica e la pressione del gas derivanti dalla combustione in energia cinetica . I gas vengono espulsi ad una velocità che va da 2000 a 4000 m/s mentre la temperatura e la pressione scendono bruscamente tra la camera di combustione e l'uscita della parte divergente dell'ugello.

L'aumento della velocità dei gas nella parte divergente è tanto più importante quanto grande è il rapporto tra il diametro del collo ed il diametro dell'uscita della parte divergente. Questo rapporto di sezione assume valori compresi tra 40 e 300 per i motivi spiegati di seguito.
La spinta è ottimale quando la pressione del gas all'uscita dell'ugello è pari alla pressione ambiente. Gli ugelli del primo stadio che devono funzionare a pressione ambiente sono relativamente corti, poiché il gas non deve essere eccessivamente espanso, mentre quelli degli stadi che operano in vuoto sono molto allungati.
L'ugello motore del primo stadio opera in condizioni di pressione esterna molto diverse tra l'accensione del motore (pressione atmosferica prossima a 1 bar) e la sua estinzione (quasi vuoto). La sua forma è quindi un compromesso.
Il divergente di forma ideale è di grande lunghezza, ma questo ha un impatto diretto sulla massa del lanciatore. Per limitare l'ingombro, l'ugello dei motori a razzo degli stadi superiori può essere parzialmente dispiegabile.
Le spinte richieste per azionare un razzo sono enormi: possono raggiungere le 800 tonnellate per i motori a razzo a propellente liquido e le 1.500 tonnellate per i propellenti a propellente solido. Per ottenere tali spinte, le pressioni e le temperature vengono portate ai limiti di quanto possono sopportare i materiali a contatto con i gas caldi. La progettazione di un ugello si basa in gran parte sullo sviluppo di tecniche di raffreddamento e sulla selezione di materiali idonei.
Tutta la forza propulsiva di un razzo viene applicata all'ugello, che genera le massime sollecitazioni meccaniche al collo. In modo pittorico, possiamo dire che l'intero peso del razzo (che può raggiungere diverse centinaia di tonnellate) grava unicamente sul collo dell'ugello.

Ugello adattato: i compromessi

Affinché un ugello di un motore a razzo possa contribuire in modo ottimale all'accelerazione del gas (ugello adatto ), la sua lunghezza deve essere adattata alla pressione dell'ambiente esterno. Più lungo è l'ugello, minore è la pressione all'uscita. Le parti divergenti dei motori di propulsione degli stadi superiori dei lanciatori devono essere particolarmente lunghe, perché la pressione esterna è quasi nulla e a livello del suolo l'ugello deve essere più corto per non finire in sottoespansione dei gas. La lunghezza dell'ugello porta ad un allungamento del lanciatore e quindi ad una struttura più pesante, a discapito delle prestazioni complessive. Le pressioni dell'ambiente esterno variano rapidamente durante il volo e la lunghezza degli ugelli è quindi un compromesso per ottenere la migliore efficienza possibile.

Un ugello del motore a razzo di primo stadio è fatto funzionare in condizioni di pressione esterna molto diverse: questa è 1 bar al lancio, ma quasi zero quando il motore è spento. La geometria dell'ugello non può adattarsi alle continue variazioni della pressione esterna. La scelta operata è sotto espansione dei gas all'uscita del divergente, vale a dire che la sua pressione è maggiore di quella dell'aria ambiente per la maggior parte del tempo di funzionamento dello stadio. Questo permette di avere un ugello corto e quindi di ridurre la massa del lanciatore.
Tuttavia, quando il motore del razzo è in fase di accelerazione prima del decollo e quando il motore viene spento, i gas prodotti sono temporaneamente sovraespansi, il che crea una separazione dei flussi che può danneggiare l'ugello al decollo e generare non spinte simmetriche al decollo e all'estinzione.

Forma divergente

La forma del divergente deve essere tale che la sua parete si confonda con la linea attuale del flusso dei gas espulsi. Questo profilo viene generalmente calcolato risolvendo le equazioni di Eulero in particolare utilizzando il metodo caratteristico . Nel caso degli ugelli utilizzati nel campo dei getti di plasma, le temperature e quindi le viscosità molto elevate richiedono il ricorso alla risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes . Il profilo ottimale è quello di un cono con un semiangolo in alto di 15°. Per accorciare la lunghezza della parte divergente e quindi ridurre la lunghezza del lanciatore e quindi la sua massa, si adottano due soluzioni:

L' ugello troncato ideale (TIC) è un ugello il cui profilo segue la curva ottimale, ma che viene tagliato alla sua estremità. Nel caso del motore Vulcain, un accorciamento del profilo ideale di 2/3 (lunghezza di 2,5 metri anziché 7 metri) comporta una perdita di spinta limitata al 3%.
L' ugello shock interno ottimizzato (TOC = Thrust-Optimized Contour ) è un ugello il cui profilo si discosta dalla curva ottimale, il che consente di risparmiare un altro 20% sulla lunghezza della parte divergente rispetto a un ugello di tipo TIC. L'angolo in prossimità del collo (da 20 a 50°) è maggiore dell'angolo ottimale che permette di aumentare più rapidamente il diametro della parte divergente. La deviazione dal profilo ideale si riduce gradualmente fino a raggiungere solo circa 10° al termine della parte divergente. Si dice che la forma ottenuta sia un portauovo. Questo guadagno va a scapito di un flusso di gas più perturbato che può dar luogo a onde d'urto interne nella parte divergente.

Un altro modo per ridurre la lunghezza della porzione divergente è quello di moltiplicare il numero di ugelli associati ad una singola camera di combustione. Diversi motori a razzo a propellente liquido sovietici / russi utilizzano questa tecnica, incluso l' RD-171 che ha 4 ugelli. Essendo la portata di ciascun ugello un quarto della portata totale, si riduce la dimensione della gola e di conseguenza il diametro e la lunghezza della parte divergente. Il guadagno in lunghezza viene valutato al 30% con in cambio una maggiore complessità ed indubbiamente una massa maggiore rispetto ad una configurazione a singolo ugello.

Raffreddamento dell'ugello

I gas di combustione che escono dalla camera di combustione hanno una temperatura molto elevata. Nel caso degli ugelli dei motori a razzo, che operano a temperature molto elevate (intorno ai 3000 °C ), deve essere previsto un processo per raffreddare le pareti dell'ugello, in quanto nessuna lega è in grado di sopportare un'elevata temperatura e anche un elevato stress termico. Il collo dell'ugello è dove gli scambi di calore sono più intensi, mentre l'estremità della parte divergente è dove circolano i gas più freddi. Vengono utilizzate diverse tecniche di raffreddamento:

Se il motore a razzo brucia propellenti criogenici (idrogeno liquido, ossigeno liquido) che vengono sempre stoccati a temperatura molto bassa, il raffreddamento per circolazione dei propellenti consiste nel farli circolare in una doppia parete che si estende dalla camera di combustione a tutto o parte del divergenti prima di essere bruciati per produrre i gas propellenti.
Il raffreddamento radiativo consiste nell'utilizzare metalli in grado di resistere a temperature molto elevate come il molibdeno o il niobio che salgono di temperatura ad un valore inferiore al loro punto di fusione per poi raggiungere un equilibrio termico evacuando gradualmente il calore veicolato dai gas. Per motori a razzo di potenza medio-alta, questa tecnica può essere utilizzata solo per le parti più fredde dell'ugello.
I rivestimenti ablativi vengono utilizzati anche per ugelli a bassa spinta o su motori più potenti, ma limitandone l'utilizzo alle zone più fredde.
Il raffreddamento a film fluido consiste nel far circolare lungo la parete dell'ugello (e della camera di combustione) un fluido più freddo dei gas accelerati, che impedisce così alla struttura di raggiungere il punto di fusione. Questa tecnica è stata utilizzata, da sola, da alcuni pionieri della propulsione come Goddard, ma ha comportato una riduzione dal 5 al 17% dell'impulso senza integrare altre tecniche di raffreddamento: la quantità di propellenti deviati è quindi compresa tra 1 e 6% e l'impulso specifico si riduce dallo 0,5 al 2%. Diverse tecniche possono essere utilizzate per creare il film fluido: combustibile soprannumerario (quindi incombusto) può essere introdotto nella camera di combustione mediante iniettori posti alla periferia della piastra di iniezione o alle pareti laterali della camera di combustione o l'ugello. Un'altra tecnica utilizzata per i motori a propellente solido consiste nel fornire blocchi di materiale nella camera di combustione che, bruciando, producono gas più freddi.

Confronto di tecniche di raffreddamento divergenti applicate a diversi motori a razzo

Motore a razzo	genere	Geometria	Sezione divergente	Materiale divergente	Tecnica di raffreddamento
Vinci	Propulsione stadio superiore	Rapporto di sezione: 240 altezza divergente 3,2 m diametro uscita: 2,2 m	Parte superiore	Lega di rame e nichel	Circolazione di idrogeno liquido in doppia parete
Vinci	Propulsione stadio superiore		parte inferiore	Composito di carbonio	Raffreddamento radiante passivo ( 1.800 Kelvin)
Vulcano 2	Propulsione del primo stadio	Rapporto di sezione: 58 altezza divergente 2,3 m diametro uscita: 2,1 m	Parte superiore	Lega di nichel	Circolazione dell'idrogeno in doppia parete
Vulcano 2	Propulsione del primo stadio		parte inferiore	Lega di nichel	Film gassoso composto da gas di scarico della turbina a gas e idrogeno dal sistema di raffreddamento

Caso di motori a razzo a propellente solido

Nei propulsori a propellente solido , la sezione della gola regola la combustione del blocco "combustibile solido". Il collo dell'ugello dovrebbe essere abbastanza largo da consentire ai gas di combustione di fuoriuscire creando spinta, ma abbastanza stretto in modo che il propellente non bruci in una singola esplosione.

Sistema di orientamento della spinta

Un ugello orientabile è un ugello articolato su uno o due assi e che consente di modificare la direzione di spinta .

Tipo di ugello

Ugello divergente estensibile

I motori a razzo di livello superiore richiedono ugelli molto lunghi perché funzionano nel vuoto. Per limitare la massa strutturale che un ugello molto lungo imporrebbe, alcuni motori come l' RL-10 B-2 che aziona il secondo stadio del lanciatore Delta IV, includono un divergente estensibile che è completamente dispiegato solo quando lo stadio inferiore è stato caduto.

RL10 ha estensibile divergente
Schema di RL-10 con divergente espandibile.
Test del dispiegamento della parte espandibile dell'ugello del motore RL-10 B-2 che spinge il secondo stadio del lanciatore Delta IV.

Ugello a flusso esterno / corpo centrale (es. aerospike)

L'ugello con flusso esterno o con corpo centrale si adatta automaticamente alla variazione di pressione incontrata durante il volo pur avendo un ingombro ridotto. Sono state testate diverse geometrie:

Ugello anulare non troncato
Multiugello di rivoluzione con corpo centrale troncato
Multiugello lineare con corpo centrale troncato come l' aerospike

Il concetto è stato testato su prototipi, ma non è mai stato utilizzato su un lanciatore operativo a causa dei problemi specifici degli ugelli aerospike e in particolare dei problemi di raffreddamento e della loro complessità (anello o camera di combustione distribuita).

Ugelli corpo centrale
Prova di un multiugello lineare con corpo centrale troncato l'Aerospike XRS-2200 (2001)
Ugello anulare non troncato testato su motore a propellente solido (2004)
Diagramma che confronta due motori a razzo utilizzando da un lato un ugello convenzionale e dall'altro un ugello di tipo Aerospike

Ugello a doppia curva

L'ugello a doppia curvatura presenta successivamente due diversi profili che vanno dal collo all'uscita della parte divergente. La seconda parte inizia con un drop out. Questo tipo di ugello deve consentire di adattarsi alla variazione di pressione incontrata da un motore a razzo di primo stadio tra l'inizio e la fine del suo funzionamento. A bassa quota viene utilizzata solo la parte superiore dell'ugello, mentre quando la pressione esterna è fortemente ridotta, tutta la parte divergente contribuisce a convogliare il flusso di gas. Questa configurazione consente l'autoadattamento del flusso senza meccanismo, ma provoca carichi laterali durante la transizione tra i due regimi di flusso.

Ugello turbogetto

Gli ugelli dei turbogetti vengono utilizzati in condizioni diverse. Esistono due tipi di ugello: l'ugello propellente destinato ad espandere i gas di combustione e l'ugello che canalizza l'ingresso dell'aria che può essere convergente o divergente. Il motore a reazione ha anche le seguenti caratteristiche che influenzano il design dei suoi ugelli:

Diverse velocità del motore con o senza post - combustione
Tasso di espansione relativamente basso
Espulsione del flusso secondario (flusso freddo)
Per gli aerei da combattimento stealth, è necessario mascherare la firma termica
Per alcuni aerei da combattimento, deviazione significativa del propellente (ugello orientabile, decollo verticale)
Velocità di ingresso dell'aria molto variabili. Per gli aeroplani che volano a velocità supersonica, l'aria deve essere rallentata a velocità subsonica prima di entrare nella camera di compressione.

Ugello propellente

Nel caso generale, l'ugello è semplicemente divergente.

Se il turboreattore spinge un aereo che non attraversa la velocità del suono, la parte divergente è formata da un cono che sporge. Questo sistema è autoadattativo.
Se l'aereo utilizza un postcombustore, viene utilizzato un collo con un diametro variabile per regolare il flusso.

Presa d'aria

Affinché il turbogetto funzioni correttamente, la velocità del flusso d'aria all'ingresso del compressore deve essere pari a circa 600 km/h (Mach 0,5). Se l'aereo vola al di sotto di questa velocità, l'ingresso dell'aria deve essere un ugello convergente, oltre questa velocità l'ingresso dell'aria deve essere un ugello divergente.

Per ottenere una geometria corrispondente a queste diverse esigenze vengono utilizzati elementi mobili: sezioni variabili con rampa o corpo centrale (mouse) modificano il profilo della presa d'aria.
Quando l'aereo viaggia a velocità supersonica, la geometria della presa d'aria si adatta a quella di un ugello Laval. Il flusso d'aria in ingresso viene prima rallentato in una sezione convergente fino a raggiungere Mach 1 nel collo, quindi la decelerazione continua in una sezione divergente fino a quando la sua velocità non scende a Mach 0,5.
Quando l'aereo è fermo, l'aumento di velocità del motore porta naturalmente alla separazione dei flussi d'aria e quindi ad una riduzione dell'efficienza dell'aspirazione. Per limitare questo fenomeno, dei portelli si aprono sul lato dell'ugello di ingresso per consentire l'ingresso di aria aggiuntiva.

Note e riferimenti

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L'equazione di Robert Braeuning 1.22.
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Bibliografia

Libri incentrati sui motori a razzo

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Lavori generali sul funzionamento dei lanciatori

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