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Endoreattori: quali motori per abbandonare l’atmosfera terrestre?

Panoramica sulle possibili soluzioni per lasciare il pianeta e andare in orbita: descrizione dei motori a razzo e dei relativi propellenti.

Categorie Come funziona · Veicoli spaziali

Sulla superficie terrestre la velocità di fuga della Terra, ovvero la velocità che dev’essere raggiunta per allontanarsi definitivamente dal campo gravitazionale, è pari a circa 40000 km/h. Come si fa, dunque, ad arrivare ad una velocità così elevata? Ci vengono in aiuto gli endoreattori.

La risposta a questa domanda è data dal cuore dei lanciatori spaziali: i loro motori o, più correttamente, gli endoreattori che vengono anche definiti “motori a razzo”. A differenza degli esoreattori che sfruttano l’ossigeno presente nell’aria come ossidante per la combustione, gli endoreattori hanno la peculiarità di avere tutto il propellente necessario a bordo comprendendo, quindi, sia il combustibile che l’ossidante.

Il principio di funzionamento è quello della terza legge di Newton: l’azione data dall’espulsione ad alta velocità dei gas prodotti dalla reazione di combustione produce come reazione una spinta in verso opposto che permette ai razzi di salire di quota. È possibile distinguere principalmente almeno due categorie di endoreattori che ci consentono di raggiungere lo spazio: gli endoreattori a propellenti solidi e quelli a propellenti liquidi.

Gli endoreattori a propellenti solidi

Endoreattori
Il decollo del James Webb Space Telescope a bordo dell’Ariane 5. Credits: ESA

Gli endoreattori a propellenti solidi sono concettualmente molto semplici. Essi sono costituiti da un supporto strutturale che contiene il “grano”, formato dai propellenti (ossidante e combustibile) in fase solida, l’ugello e il sistema di accensione. Il grano contiene anche la camera di combustione e può costituire oltre il 90% della massa totale. Questo tipo di endoreattore ha diversi vantaggi e svantaggi. I vantaggi più rilevanti sono sicuramente la relativa semplicità di produzione e il basso costo rispetto alle altre soluzioni del mercato; gli svantaggi principali, invece, sono il tempo di funzionamento ridotto e la non riaccendibilità del motore.

Il principio di funzionamento è, infatti, il seguente: tramite il sistema di accensione (che può essere, per esempio, una scintilla) viene innescato il processo di combustione del grano che non può essere più arrestato. In seguito a tale evento, vengono prodotti dei gas di scarico che, accelerati dall’ugello convergente-divergente, producono la spinta. Il tempo di funzionamento ridotto è legato ai consumi e soprattutto al fatto che questo tipo di endoreattore non può essere raffreddato. Si possono avere tre categorie di propellente: a doppia base, compositi e compositi modificati a doppia base con questi ultimi che sono una miscela eterogenea degli altri.

I primi sono estremamente pericolosi perché altamente esplosivi, dato che contengono nella loro molecola sia l’ossidante che il combustibile; fa parte di questa classe la nitroglicerina. I propellenti compositi (perclorati e nitrati), invece, hanno l’ossidante in forma di cristalli immersi nel combustibile sotto forma di matrice gommosa. Per le applicazioni spaziali sono maggiormente utilizzate le altre due categorie che assicurano prestazioni maggiori avendo un impulso specifico più elevato. Si ricordi che l’impulso specifico è indice del consumo del motore: maggiore è l’impulso specifico e minore è il consumo di propellente.

Il profilo di spinta viene ottenuto grazie alla selezione della geometria del grano e della sua modalità di combustione che può essere longitudinale o radiale. Usualmente, gli endoreattori a propellenti solidi vengono utilizzati come booster dei grandi vettori spaziali come lo Space Shuttle o l’Ariane 5. Dopo il loro utilizzo vengono fatti separare dal resto della struttura in modo da non gravare sulla massa inerte.

Quelli a propellenti liquidi

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Pur garantendo una spinta minore a parità di massa rispetto agli endoreattori a propellenti solidi, gli endoreattori a propellenti liquidi sono quelli più utilizzati in ambito spaziale grazie alla loro versatilità e a numerosi vantaggi tra i quali: impulso specifico migliore, capacità di regolare la spinta e possibilità di accensioni e spegnimenti multipli. Per raggiungere lo spazio vengono usati sistemi bipropellente ma appartengono alla classe degli endoreattori liquidi anche i monopropellenti che, fornendo spinte nettamente minori, vengono utilizzati soltanto a bordo di satelliti per consentire correzioni d’assetto orbitale.

Il principale svantaggio di questo tipo di motore a razzo è costituito dalla complessità, un endoreattore a propellente liquido è, infatti, formato da: due serbatoi, sistema di alimentazione, sistema di accensioni, iniettori, camera di combustione e ugello. È facilmente intuibile come il costo si innalzi di molto rispetto alla precedente soluzione così come si può notare un’affidabilità minore dovuta al gran numero di valvole, pompe e tubature, ovvero strutture delicate soggette a forti stress termici e meccanici durante il funzionamento.

La coppia ossidante/combustibile più performante è costituita dall’ossigeno liquido e dall’idrogeno liquido. Tuttavia, questa soluzione presenta alcuni problemi per due motivi. Il primo riguarda il fatto che entrambi i propellenti sono “criogenici” e necessitano, perciò, di temperature rispettivamente minori di 90 e 20 K. Questa caratteristica, inoltre, accresce le difficoltà di logistica poiché si hanno problemi di conservabilità e trasporto. Il secondo, invece, riguarda nello specifico l’idrogeno che ha una densità molto bassa e che comporta, di conseguenza, l’uso di elevati volumi che fanno lievitare la massa strutturale di tutto il sistema.

Altri tipi di propellenti molto utilizzati sono quelli che accoppiano l’ossigeno liquido ad un idrocarburo, ad esempio il cherosene. In particolare, per la progettazione di un vettore spaziale multistadio, si sceglie di utilizzare quest’ultima soluzione per il primo stadio (solitamente è il più pesante) e l’accoppiata ossigeno liquido-idrogeno liquido per il secondo stadio. In caso di presenza di un terzo stadio la scelta ricade su propellenti che hanno come caratteristica principale la conservabilità, date le condizioni anguste dello spazio. Degni di nota anche gli endoreattori a propellenti ibridi!

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