Razzo a propellente liquido

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Un razzo a propellente liquido è un razzo con un motore che impiega propellenti in forma liquida. Questi hanno il vantaggio di raggiungere una densità relativamente elevata, che permette di mantenere il volume dei serbatoi relativamente contenuto, con un corrispondente aumento del rapporto di massa.

I razzi a propellente liquido sono suddivisi in razzi a monopropellente, bipropellente o anche tripropellente, a seconda del numero di propellenti impiegato. I razzi a bipropellente impiegano generalmente un carburante liquido e un ossidante liquido, come l'idrogeno liquido e l'ossigeno liquido. I propellenti liquidi sono a volte impiegati in razzi ibridi, dove sono combinati con propellenti solidi o gassosi.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Robert Goddard, nel freddo inverno del New England del 16 marzo 1926, a fianco al supporto per il lancio della sua più famosa invenzione — il primo razzo a propellente liquido

L'idea di un razzo con propellente liquido, come concepita nel contesto moderno, appare per la prima volta nel libro intitolato "L'esplorazione dello spazio cosmico attraverso dispositivi a reazione", (in russo: Исследование мировых пространств реактивными приборами?), di Konstantin Eduardovitch Tsiolkovsky, pubblicato nel 1903.

L'unico esperimento noto con motori a propellente liquido nel XIX secolo è stato compiuto dallo scienziato peruviano Pedro Paulet[1]. Egli tuttavia non pubblicò immediatamente i suoi risultati, ma solo nel 1927 scrisse una lettera ad un quotidiano di Lima, affermando di aver sperimentato un motore a propellente liquido mentre era studente a Parigi tre decenni prima. Gli storici della missilistica, tra cui Max Valier e Willy Ley, hanno dato diverse interpretazioni alla lettera di Paulet. Lo scienziato descrisse dei test di laboratorio con propulsori a propellente liquido, ma non affermò di aver fatto volare un razzo con un tale motore.

Il primo volo di un razzo di questo tipo avvenne il 16 marzo 1926 ad Auburn (Massachusetts), quando il professore statunitense Robert Goddard lanciò un razzo che impiegava ossigeno liquido e benzina[2]. Il razzo, chiamato "Nell", raggiunse un'altezza di 41 piedi (12 m) in 2,5 secondi, per finire in una piantagione di cavoli. Ciononostante, fu un'importante dimostrazione della possibilità di impiego di propellenti liquidi. Dopo Goddard, razzi a propellente liquido furono lanciati da Hermann Oberth nel 1929 e Sergej Pavlovič Korolëv nel 1933; questi razzi usarono rispettivamente etanolo e ossigeno liquido e gel di gasolio e ossigeno liquido. Durante la Seconda guerra mondiale, Wernher Von Braun progettò il razzo V2, da cui negli anni cinquanta furono sviluppati i primi razzi militari e spaziali.

Vantaggi dei razzi a propellente liquido[modifica | modifica wikitesto]

A differenza dei gas, un tipico propellente liquido ha una densità simile all'acqua, circa pari a 0,7 - 1,4 g/cm³ (tranne l'idrogeno liquido, che ha una densità molto inferiore), e richiede una modesta pressione per evitare la vaporizzazione. Questa combinazione di densità e bassa pressione permette l'impiego di serbatoi leggeri: approssimativamente con un peso dell'1% del contenuto per i propellenti densi e circa il 10% per l'idrogeno liquido (a causa della bassa densità e la massa per l'isolamento richiesto).

L'iniezione nella camera di combustione richiede una pressione del propellente superiore a quella della camera nei pressi degli iniettori. Questa pressione viene generata in genere con una pompa: si scelgono delle turbopompe per la loro potenza e leggerezza, anche se nel passato sono state impiegate altri tipi di pompe. Le turbopompe hanno un peso inferiore all'1% della loro spinta. Infatti, il rapporto spinta-peso di un motore a razzo che utilizzano una turbopompa hanno raggiunto il valore di 133:1 nel modello di razzo sovietico NK-33.

In alternativa è possibile impiegare un serbatoio più pesante e trascurare la pompa, ma il delta-v raggiunto dallo stadio è spesso molto inferiore a causa della massa aggiuntiva del serbatoio, anche se negli impieghi ad altitudini elevate o nel vuoto la massa del serbatoio potrebbe essere accettabile.

Un altro vantaggio è costituito dalla modulazione della spinta in tempo reale e un buon controllo del tasso di mescolamento. Possono essere spenti senza troppi problemi e con un sistema di iniezione adatto, riavviati. Possono impiegare un sistema di raffreddamento rigenerativo che impiega il carburante (o occasionalmente l'ossidante) per raffreddare la camera prima dell'iniezione.

Svantaggi dei razzi a propellente liquido[modifica | modifica wikitesto]

I razzi a bipropellente liquido sono concettualmente semplici ma complessi nella pratica a causa delle bassissime temperature e delle parti in movimento ad alta velocità

L'impiego dei propellenti liquidi è associato ad una certa quantità di inconvenienti:

  • poiché il propellente costituisce una parte molto grande della massa del veicolo, il centro della massa si sposta in modo significativo verso il retro del velivolo mentre viene consumato il propellente; è possibile perdere il controllo del velivolo
  • i propellenti liquidi sono soggetti a sciabordare all'interno dei serbatoi
  • i propellenti necessitano spesso di propulsori che evitino il risucchio dei gas nei motore durante l'accensione
  • i propellenti liquidi possono fuoriuscire, formando miscele esplosive
  • le turbopompe sono complesse da progettare, e possono soffrire di seri malfunzionamenti.
  • i propellenti criogenici, come l'ossigeno liquido, raffreddano il vapore acqueo atmosferico in cristalli di ghiaccio molto duri, che possono danneggiare o bloccare i sigilli e le valvole, causando perdite e altri inconvenienti. Per evitare questo problema sono richieste lente procedure di rimozione del vapore dal sistema
  • i razzi tendono ad essere molto complessi, con un aumento delle possibilità di malfunzionamento
  • i razzi richiedono molti preparativi prima del lancio, che li rende poco pratici rispetto a quelli a propellente solido
  • quando sono impiegati all'interno dell'atmosfera, deve essere mantenuta una pressurizzazione positiva dei serbatoi, per evitare il loro collasso.

Propellenti[modifica | modifica wikitesto]

Nei razzi a bipropellente, in passato sono state provate migliaia di combinazioni di combustibili e ossidanti. Alcune di esse sono:

Una delle combinazioni più efficienti, ossigeno ed idrogeno, ha lo svantaggio di richiedere temperature estremamente basse per mantenere i due elementi in forma liquida (attorno a 20 K, -253 °C) e l'idrogeno possiede una densità bassa (70 kg/m³). Queste caratteristiche richiedono l'impiego di serbatoi grandi e pesanti. L'impiego di schiuma isolante ha causato diversi problemi allo Space Shuttle, culminati nel disastro dello Space Shuttle Columbia, dove un frammento di schiuma isolante si staccò durante il lancio e danneggiando in modo catastrofico lo scudo termico dell'orbiter.

Per i missili ICBM e le sonde interplanetarie, l'immagazzinamento dei propellenti criogenici per lunghi periodi di tempo è costoso e problematico. Nei missili a scopo militare, negli anni cinquanta si cercò di ovviare all'inconveniente usando come ossidante l'acido nitrico al posto dell'ossigeno liquido, ma era instabile, sviluppava vapori tossici e corrodeva i recipienti, così venne miscelato con il tetrossido di azoto e una piccolissima quantità di acido fluoridrico, rendendolo più stabile. A partire dagli anni sessanta si cominciarono ad impiegare idrazina e ossidi di azoto, ma l'idrazina è un composto chimico molto corrosivo, volatile e tossico. Di conseguenza, nei vettori privati a basso budget vengono impiegate soluzioni ibride. Anche la combinazione kerosene/ossigeno è una scelta affidabile ed economica per applicazioni commerciali aerospaziali.

Iniettori[modifica | modifica wikitesto]

Tipi di iniettori[modifica | modifica wikitesto]

Gli iniettori possono essere semplici, addirittura sotto forma di fori di piccolo diametro posti secondo una certa disposizione. La velocità del flusso è determinata dalla radice quadrata del calo di pressione attraverso gli iniettori, dalla forma del foro e altri fattori come la densità del propellente. I primi iniettori impiegati sui razzi V-2 creavano getti paralleli di carburante ed ossidante che successivamente bruciavano nella camera. Questa soluzione era poco efficiente.

Al giorno d'oggi gli iniettori consistono di un gruppo di piccoli fori che dirigono dei getti di carburante ed ossidante in modo da farli collidere in un punto dello spazio a breve distanza dall'iniettore stesso. In questo modo i flussi si rompono in piccole goccioline che bruciano più facilmente.

I propulsori principali dello Space Shuttle impiegano degli iniettori a flauto, che utilizzano il relativo 'calore' dell'ossigeno liquido per vaporizzare l'idrogeno e migliorare il flusso e la stabilità del processo di combustione; i propulsori precedenti, come l'F-1 utilizzato nel programma Apollo aveva problemi significativi per la presenza di oscillazioni che determinavano anche la distruzione dei propulsori. La soluzione progettuale nello Space Shuttle ha permesso di risolvere questo problema.

Valentin Glushko inventò all'inizio degli anni trenta l'iniettore centrifugo, che è stato utilizzato quasi universalmente nei propulsori russi. Al liquido viene applicato un movimento rotativo (a volte anche ai due liquidi mescolati assieme) ed espulso attraverso un piccolo foro dove forma un flusso a forma di cono che atomizza rapidamente il liquido.

Stabilità di combustione[modifica | modifica wikitesto]

Per evitare instabilità, come le oscillazione a bassa velocità, il propulsore deve essere progettato con sufficiente differenza di pressione attraverso gli iniettori da rendere il flusso pressoché indipendente dalla pressione della camera. Normalmente si ottiene questo risultato con una differenza di almeno il 20% della pressione della camera.

Tuttavia, nei propulsori più grandi, possono presentarsi delle oscillazioni ad alta velocità nella combustione, e non sono ben comprese. Esse tendono a disgregare lo strato confinante del gas, causando il malfunzionamento del sistema di raffreddamento e la distruzione del propulsore. Questi tipi di oscillazione sono molto comuni nei motori più grandi, ed hanno causato problemi nello sviluppo del Saturn V.

Alcune camere di combustione, come quella nei motori dello Space Shuttle impiegano dei risonatori di Helmholtz come meccanismi per smorzare alcune frequenze risonanti. Inoltre, per prevenire il problema, gli iniettori sono stati progettati per vaporizzare il propellente prima di essere iniettato nella camera di combustione. Anche se sono state adottate altre soluzioni per assicurare l'assenza di instabilità, alcune ricerche più recenti hanno mostrato che esse non sono necessarie, e che la combustione funziona in modo affidabile.

I test di stabilità comprendono spesso l'impiego di piccole cariche esplosive, che sono fatte detonate all'interno della camera durante il funzionamento del motore per creare una sollecitazione impulsiva. Esaminando la traccia di pressione della camera per esaminare la reazione al disturbo, è possibile stimare la stabilità e la eventuale riprogettazione della camera di combustione.

Raffreddamento[modifica | modifica wikitesto]

Gli iniettori sono generalmente disposti in modo da creare uno strato ricco di carburante nei pressi della parete della camera di combustione. Esso riduce localmente la temperatura e si spinge verso il basso, attraverso l'ugello. In questo modo si può far funzionare una camera di combustione con una pressione superiore e di conseguenza di maggiore tasso di espansione nell'ugello ed un impulso specifico più elevato[3]. Spesso viene utilizzato un sistema di raffreddamento rigenerativo.

Accensione[modifica | modifica wikitesto]

L'accensione può essere effettuata in molti modi, ma è necessaria un sistema di accensione efficace e significativo: la mancata accensione, anche per un periodo molto breve (a volte solo qualche decina di millisecondi), può causare una sovrapressione della camera a causa dell'eccesso di propellente. Questo fenomeno, detto anche "hard start", può causare l'esplosione del motore.

A volte sono impiegati blocchi di sicurezza per assicurare la presenza di una fonte di accensione prima dell'apertura della valvole principali, ma l'affidabilità dei blocchi può essere in alcuni casi inferiore a quella del sistema di accensione. Queste scelte dipendono dal grado di affidabilità richiesto, dovuto alla presenza di astronauti o dall'importanza del successo della missione. I blocchi sono impiegati raramente per gli stadi superiori senza equipaggio, dove il loro malfunzionamento potrebbe causare il fallimento della missione. Essi sono presenti sui propulsori dello Space Shuttle, per spegnere i motori prima del lancio della navetta. Inoltre, è sorprendentemente difficile verificare la presenza di un'accensione riuscita, ed alcuni sistemi impiegano cavi sottili che sono tagliati dalle fiamme, o sensori di pressione.

Alcuni sistemi di accensione includono mezzi pirotecnici, elettrici o chimici. I propellenti ipergolici hanno il vantaggio di auto-incendiarsi, in modo affidabile e con minori possibilità di fenomeni come gli "hard start". Negli anni quaranta, i russi iniziarono ad avviare i propulsori con propellente ipergolico, per poi alimentare il motore con il propellente primario dopo l'accensione.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ The alleged contributions of Pedro E. Paulet to liquid-propellant rocketry, NASA.
  2. ^ Re-Creating History, NASA.
  3. ^ Rocket Propulsion elements - Sutton Biblarz, section 8.1

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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