E io x spirito di discussione sposto un pò di spinta ancora più a monte Per il principio di azione e reazione, la propulsione si origina ovunque noi spingiamo il carburante o il gas risultante in direzione opposta al moto. Quindi pure il carburante che dal serbatoio trasla nella camera di combustione, genera moto.
C’é un vecchio racconto di Isaac Asimov dove 2 astronauti rimangono in avaria nello spazio, senza motori di spinta ma solo con motori di manovra, e non possono così rientrare sulla nave madre impresenziata. Dispongono però di un enorme serbatoio di acqua liquida attaccata alla navetta. Perciò dopo vari ragionamenti, con una pistola laser i due astronauti aprono un buchetto nel serbatoio dell’acqua. Poiché l’acqua liquida nel vuoto si trasforma istantaneamente in vapore, questo fattore genera una spinta ed i due riescono a ritornare alla nave madre.
Appunto, è proprio così. Si genera forza ovunque il gas viene accelerato, ma bisogna vedere di quanto il gas viene accelerato nei vari punti.
E quindi confermo quanto ho scritto sopra: dov’è che il propellente viene accelerato? Nella camera di combustione o nell’ugello?
Nella camera di combustione il gas si espande in tutte le direzioni, quindi la risultante totale è quasi nulla. Il gas viene accelerato da zero a pochissimi metri al secondo, quindi la risultante della forza applicata al gas è vicina a zero, e di conseguenza la spinta generata in camera di combustione è vicina a zero.
Nell’ugello invece il gas viene accelerato da pochi metri al secondo fino a migliaia di metri al secondo, è lì che si imprime la grande accelerazione e quindi è lì che si genera la spinta.
Senza offesa, ma il paragone non c’entra una mazza
Il bilanciere non ha nessun effetto nell’accelerare il gas…
Appunto Buzz. L’ho scritto apposta. La faccina era lì per quello.
Però il fuoco d’artificio non ha un ugello, solo la strozzatura. Ergo? Ne deduco che la spinta si esercita sulla testa della camera di combustione perché è diametralmente opposta all’ugello. Vettorialmente parlando sui lati la spinta si annulla a causa delle pareti, ma cosa annulla la spinta sulla testa? Non si annulla, resta libera di spingere (il rinculo delle armi da fuoco) in quanto la sua contropate, i gas combusti, escono dalla parte opposta. Non conosco camere di combustione asimmetriche.
Poi i gas combusti non escono dalla camera di combustione con un gettto rettilineo, ma si irradiano all’estero e dal momento che possiedono ancora forza, con l’ugello recuperiamo altra energia, oltre a regolare il getto in modo da evitare irregolarità nei flussi che possono essere deleterie. Stasera vado a rileggermi la mia Bibbia astronautica che spiega con grafici esaurienti dove si esercita la forza.
Sí certo. Secondo me la forza si esercita dove avviene l’accelerazione “direzionata” del propellente. Nei fuochi d’artificio camera di combustione e ugello sono un tutt’uno, nei razzi è un po’ diverso perchè la grande accelerazione si ha nell’ugello
Vero, ma l’ugello ha lo scopo di ottenere la massima velocità di uscita dei gas per una data portata di massa per unità di tempo. Quindi, data una certa pressione in camera, alla fine serve a limitare il deflusso. Questo lo fa con una strozzatura finchè il gas ha velocità subsonica, e poi divergendo per le leggi della fluidodinamica dove il flusso è supersonico, dico bene?
Rimane il fatto che la spinta si esercita sulla parete opposta della camera; l’ugello sopporta una pressione elevata (quella della camera di combustione, quindi verso l’esterno!) nella parte convergente, e forse una piccola verso l’interno nella parte divergente (ma ne dubito). Quindi “serve” a generare la spinta, ma non è il punto di applicazione della spinta.
Marco, la spinta si genera sulla superficie normale alla velocità del gas. Quindi, se la camera di combustione si trova sopra all’ugello, allora la spinta sarà in parte sulle pareti dell’ugello e in parte su una parte delle pareti della camera di combustione.
Ma in linea teorica la camera di combustione potrebbe anche non essere in asse con l’ugello, e allora non contribuirebbe per niente alla spinta.
Provo a spiegarmi con un disegno che forse è la cosa più facile (vedi allegato). Ha senso quello che sto dicendo?
Ha senso, certo, non pensavo che la spinta sulle pareti dell’ugello fosse significativa. Lì la pressione dovrebbe essere ormai molto bassa, alla fine dell’ugello sei nel vuoto.
Con che legge decresce la pressione dalla camera alla base dell’ugello?
Trovato su santa wiki, http://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine_nozzle
Evidentemente il contributo dato dalla pressione nel divergente è importante, per cui la forma dell’ugello cambia se si opera in atmosfera o nel vuoto.
Ok, ne ho imparata una
Eh ma e’ quello il punto: se la pressione fosse elevata (lo stesso della camera di combustione per assurdo) la spinta sarebbe assolutamente nulla. E’ proprio la differenza in pressione che permette di sviluppare “reazione” e quindi approfittare della legge di Newton.
Ieri sera ho verificato. La spinta si esercita sulla testa della camera di combustione e sulle pareti dell’ugello.
I razzi a combustibile solido come gli SRB sfruttano le pareti mobili degli ugelli per modificare la traiettoria, ma la spinta principale è sulla testa degli SRB.
Buzz, se la camera di combustione è così disassata, come l’hai disegnata, introduci delle complicazioni nei flussi di gas che ti fanno perdere efficienza.
La reazione dei gas è sempre in asse, opposto, a quella dell’azione. Di fatto poi la forza si distribuisce sulla struttura del propulsore.
Potremmo fare una dimostrazione “per assurdo”.
Se noi eliminassimo l’ugello, avremmo la camera di combustione che termina con un foro.
Da lì i gas a pressione elevatissima fuoriuscirebbero in tutte le direzioni, quindi con 180° di dispersione.
Il punto di applicazione della forza risultante sarebbe tutta su quel foro citato, ma per via delle molteplici direzioni assunte dal gas, si avrebbe un calo di spinta nella direzione del moto.
Credo che il disegno di Buzz fosse solo per spiegare il concetto di dove si applicano le forze. Chiaramente non è ottimale.
Non credo, il gas tenderebbe ad “andare dritto” per inerzia, per poi disperdersi. Ma senza ugello crei poca contropressione e sprechi molta spinta, come aveva già capito Goddard. Non tanto perchè il gas va dove vuole, ma perchè la pressione in camera è poca e la velocità di eiezione bassa.
Non sono d’accordo. La pressione si genera tutta nella camera di combustione, l’ugello non contribuisce all’aumento di pressione né genera “contropressione” (?). Anzi, direi che l’ugello sfrutta la pressione e la temperatura generate dalla camera per accelerare e direzionare i gas durante la loro espansione, semplificando molto sfrutta banalmente l’effetto Venturi: il fluido (in questo i gas) perde pressione e acquista velocità. Senza nozzle semplicemente si genera uno sputo di spinta perché i gas escono ad alta pressione, sì, ma con minore velocità e sono mal direzionati quindi si disperdono (non generano spinta utile).
Blized ha detto bene.
L’equazione più semplice che descrive la spinta per un endoreattore è la seguente:
[F=\dot{m}_pu_e+(P_e-P_a)A_e]
Dove mp puntato è la portata scaricata, ue la velocità di efflusso, Pe la pressione sulla sezione di efflusso, Pa la pressione ambiente e Ae l’area di efflusso.
Si può notare che è presente un contributo di spinta impulsivo legato allo scarico e uno contributo di pressione. Gran parte della spinta è fornita dal primo termine, la spinta di pressione può essere positiva negativa o nulla a seconda della condizione in cui si opera, il segno è determinato in particolare dalla differenza fra la pressione sulla sezione di efflusso e la pressione ambiente. Si può dimostrare comunque che la spinta massima si ottiene in condizioni di ugello adattato (ovvero quando Pe=Pa), in quel caso infatti l’incremento di velocità prodotto dall’ugello è massimo, superiore anche al caso in cui vi sia un contributo positivo di spinta di pressione.
Discussione meravigliosa e dettagliatissima, posso solo far notare una cosa?
Ad oggi l’utente Columbus che ha posto la domanda non ha piu messo piede sul forumda due ore dopo averla postata, ergo non ha ancora letto nemmeno una risposta
Immaginavo, sennò avrebbe (forse) commentato.
Sì, comunque è interessante. Filippo credo abbia messo la parola fine… molto preciso.
Blitzed, volevo dire che senza ugello, quindi con la camera completamente aperta da un lato, di sicuro la pressione in camera sarebbe inferiore. L’apertura dell’ugello, ostacolando il flusso, crea una pressione a monte. Forse è una visione da idraulici, ma… io immagino che la pressione sulle pareti della camera sia essenzialmente isotropa, senza ugello non è certamente così, ma con l’ugello dovrebbe esserlo. Ricordo pressioni degli SRB dello shuttle nell’ordine di 50 o 60 bar.
Raf, la prossima discussione la apriamo sulle instabilità di combustione, e su come iniettare tutte quelle tonnellate/secondo di LOX e kerosene in un F1.
Marco, la prossima discussione la apriamo su come accendere simultaneamente 4 motori tipo C nel mio modello di Dragon V2 versione LES disegnato con solidworks e stampato con una stampante 3D Velleman e di come non farlo roteare poi in aria come una progress…
No cosi mi torna! io semplicemente intendevo come ugello solo “il cono”, consideravo invece che l’uscita della camera di combustione fosse appunto parte della camera stessa
Per il principio di azione e reazione, la propulsione si origina ovunque noi spingiamo il carburante o il gas risultante in direzione opposta al moto. Quindi pure il carburante che dal serbatoio trasla nella camera di combustione, genera moto.
