Ugelli Aerospike: una valida tecnologia per il futuro?

A cura di Carolina Molteni

Qual è il ruolo di un ugello in un motore a razzo? Cosa sono gli Ugelli Aerospike? E perché dovremmo abbandonare la rassicurante forma conica dei tradizionali ugelli utilizzati fino ad ora ed iniziare a valutare una nuova tecnologia? La risposta alla prima domanda può essere trovata in una frase del CEO di SpaceX, Elon Musk:

“Cosa cerchi di fare quando hai un razzo? Beh cerchi di sparare fuori qualcosa molto velocemente e in maniera quanto più dritta possibile!”

È questo il ruolo di un ugello: creare un flusso estremamente veloce e assiale perché il razzo si possa muovere nella direzione opposta, in accordo con il terzo principio della dinamica; l’ugello è, infatti, il componente che traduce energia sensibile, racchiusa nella combustione, in energia cinetica.

Ma per spiegare in maniera più approfondita il funzionamento di un ugello bisogna partire dalla definizione di adattamento: avere un “ugello adattato ad una certa quota” significa che esso è stato progettato per funzionare in maniera ottimale solo e soltanto a una specifica altitudine (e di conseguenza ad una sola pressione, dal momento che essa diminuisce salendo in atmosfera); ne risulta che il funzionamento di un ugello è fortemente dipendente dal luogo e dalla pressione a cui si trova! Un ugello che funziona perfettamente nello spazio, a terra potrebbe creare enormi problemi strutturali al motore. 

La cosiddetta condizione di adattamento, ovvero la condizione in cui l’ugello ha una pressione dei gas in uscita uguale alla pressione atmosferica, ci permette di ottenere la massima spinta possibile a tale quota. Una volta che la geometria dell’ugello e la pressione in camera di combustione vengono fissate è automaticamente imposta anche la pressione in uscita: un ugello tradizionale, quindi, può garantire la condizione di adattamento e, di conseguenza, di spinta ottima, ad una quota soltanto.  

Perché non realizzare un ugello a geometria variabile che muti la sua forma durante l’ascesa? 

Qualche ingegnere si è posto la stessa domanda, pertanto diversi tentativi di ugelli a geometria variabile sono stati proposti negli anni: alcuni prevedono un inserto utilizzato nella prima parte dell’ascesa, sganciato ad una certa quota, altri l’utilizzo di estensioni e così via; nessuno di questi, però, riesce a mutare la sua geometria puntualmente in ogni momento dell’ascesa. Essendo l’ugello una delle parti più sensibili dal punto di vista dello stress termico, inoltre, le parti mobili vengono generalmente evitate. 

Ecco dove entra in gioco l’Aerospike: esso è infatti un “ugello ad espansione libera”; l’unica geometria solida è una spina (spike) attorno alla quale viene completata l’espansione e la conseguente accelerazione del flusso. I gas combusti sono in una condizione di alta pressione in camera di combustione e, uscendo da una sezione anulare, circondano la spina.

È da ricordare che gas ad alta pressione tendono sempre a muoversi in zone di bassa pressione: quando la pressione dei gas è più bassa di quella atmosferica (Pe < Pa) il flusso tenderà a rendersi quanto più aderente possibile alla spina (in questo caso è l’aria esterna, a pressione più elevata, a schiacciare i gas!); mentre, quando la pressione atmosferica è più bassa (Pe > Pa) tenderanno ad allontanarsi e a espandere sempre di più, confinati da onde d’urto che impongono la geometria esterna. 

Da questo si evince come il flusso riesca sempre ad adattare le sue condizioni alla pressione circostante e a ottenere una spinta ottimale a ogni altitudine.

Layout e geometrie

Diverse geometrie sono state ipotizzate sia per l’ugello sia per la camera di combustione: un Aerospike toroidale presenta una camera di combustione ad anello (Donut Shaped CC), mentre uno lineare (immaginabile come un’estrusione della stessa versione toroidale) necessiterà diverse camere di combustione di dimensioni minori lungo la sua lunghezza. La spina è troncata e alla sua base vengono convogliati gas espansi in turbina, generando una zona di ricircolo e dando un contributo aggiuntivo alla spinta.

Modelli e prototipi esistenti degli ugelli Aerospike

Nessun ugello Aerospike è attualmente in funzione. Diversi prototipi sono stati sviluppati nel corso degli anni: pionera fu senz’altro AeroJet Rocketdyne che sviluppò diversi modelli, in seguito ripresi da NASA e LockHeed Martin per sviluppare il prototipo XRS-2200, utilizzato nel programma X-33; tale programma prevedeva lo sviluppo di VentureStar, un velivolo SSTO (Single Stage to Orbit) riutilizzabile senza equipaggio, che avrebbe dovuto rappresentare un’alternativa al programma Shuttle. Lo spazioplano prevedeva un decollo in posizione verticale, un atterraggio planato e l’utilizzo di ugelli Aerospike lineari con diverse camere di combustione per ottenere una spinta ad elevata efficienza per ogni quota: essi avrebbero permesso al velivolo di raggiungere l’orbita terrestre utilizzando un solo stadio.  

X-33 fu cancellato prima che il prototipo a due motori venne portato a termine a causa di guasti ai serbatoi in composito. Gli ugelli Aerospike e le loro applicazioni per gli SSTO presentano molteplici vantaggi e, sicuramente, la possibilità di immaginare un futuro in cui sia possibile semplicemente decollare dal nostro pianeta e raggiungere l’orbita è molto attraente; tuttavia, è anche necessario sottolineare le principali problematiche che tali sistemi presentano: 

• Il raffreddamento: l’ugello, come detto in precedenza, è la parte del razzo che è maggiormente soggetta a stress termico. 

Un ugello Aerospike presenta almeno il doppio dell’area della sezione di gola rispetto a un ugello tradizionale: essa è una parte critica, va raffreddata. È possibile utilizzare un riscaldamento rigenerativo, ma la situazione si complica per razzi di dimensioni minori che non permettono un elevato apporto di combustibile. 

• Le dimensioni e il peso. L’ugello Aerospike, rispetto a un ugello tradizionale, ha una spina che ostacola l’efflusso di gas combusti, che avviene attraverso un’area non circolare ma anulare; per tale motivo, per avere la stessa portata in uscita di un ugello tradizionale, la dimensione e il peso devono aumentare. 
• I progetti per i sistemi single stage to orbit sono stati interrotti svariate volte prima di arrivare a conclusione. Il sistema multistadio risulta spesso economicamente più conveniente, soprattutto se si considerano booster riutilizzabili per più lanci. 

In conclusione la tecnologia a espansione libera ha diversi pro e contro e, anche se i velivoli SSTO non hanno avuto molto successo sulla terra, una loro potenziale applicazione potrebbe essere il decollo dalla Luna o da Marte, entrambi aventi gravità inferiore rispetto alla terra e per i quali l’utilizzo di un monostadio per raggiungere l’orbita è molto più conveniente. Elon Musk non esclude di usare gli ugelli Aerospike per Starship in un futuro: afferma, infatti, che se qualcuno gli dimostrasse un vantaggio concreto nel loro utilizzo, lo ringrazierebbe e inizierebbe a fabbricarli!

Se vi va di informarvi ulteriormente sulla tecnologia aeronautica, scoprite cos’è uno statoreattore!