Classificazione dei propulsori aerospaziali

In questo topic voglio cercare di ordinare, per quanto possibile, le varie tipologie di endoreattori attualmente in utilizzo sia nel caso di motori da accesso allo spazio (lanciatori) sia nel caso di motori da navigazione nello spazio (controllo di assetto, manovre orbitali, docking, etc.): quella che ho proposto qui è già una prima classificazione di tipo funzionale.

I propulsori possono essere poi divisi in:
Propulsori a getto che comportano l’espulsione di materia in una direzione che causa, per reazione, una spinta in direzione eguale e contraria: in sostanza sono basati sul principio della conservazione della quantità di moto;
Propulsori non a getto, come ad esempio le vele solari: non comportano espulsione di gas combusti.

Nel caso dei propulsori a getto distinguiamo poi due importanti categorie:
Gli esoreattori, il cui funzionamento dipende dall’ambiente esterno: il comburente della reazione di combustione è l’aria esterna. Questi motori sono i tipici motori a getto aeronautici: turbogetti, getti, turbofan…
Gli endoreattori il cui funzionamento è pressochè indipendente dall’ambiente esterno: questi motori possono quindi viaggiare anche nel vuoto, disponendo di tutto ciò sia necessario per la combustione, sia combustibile sia comburente.

Prima di indagare le varie tipologie di propulsori aerospaziali, possiamo individuare altre classificazioni in base al loro funzionamento (quindi sia per eso che per endoreattori):
Classificazione in base alla velocità di propagazione del fenomeno di governo:
velocità subsonica, con onde di deflagrazione: è il caso più comune;
velocità supersonica, con onde di detonazione.

A seconda della modalità di funzionamento distinguiamo inoltre:
Funzionamento continuo: V2 tedesche, endoreattori per propulsione primaria (lanciatori), esoreattori;
Funzionamento pulsato: V1, monopropellenti a idrazina, propulsori elettrici al plasma, a radiazione laser, a detonazione.

Un’altra classificazione funzionale é:
sistemi a perdere, come la quasi totalità dei propulsori spaziali (endoreattori);
sistemi riutilizzabili, come lo space shuttle (parzialmente) e i motori aeronautici (esoreattori).

[continua]

Per continuare nell’opera di classificazione dei propulsori ora prettamente spaziali (endoreattori) cerchiamo di individuare macroscopicamente le tre categorie di energia in gioco nel processo:

ENERGIA PRIMARIA - - ENERGIA TRASFORMATA - - ENERGIA CINETICA → Azione

Queste categorie energetiche in realtà caratterizzano sia gli eso che gli endoreattori. Ad esse sono associate, solitamente: un serbatoio (sorgente di energia primaria), una camera di combustione o miscelazione (sorgente di energia trasformata) ed un ugello gasdinamico (sorgente di energia utile ed espusore dei gas combusti).

ENERGIA PRIMARIA : ne individuiamo 4 tipologie:

  1. Energia primaria chimica (CP), associata al guscio elettronico degli atomi. Si hanno quindi propellenti liquidi (LP), propellenti solidi (SP), propellenti ibridi (HP) o gassosi (GP).

  2. Energia primaria nucleare (NP), associata al nucleo degli atomi. Nella sua versione principale si riscalda il propellente con dell’energia termica da sorgente nucleare e quindi si accelera la miscela mediante un ugello gasdinamico. Si hanno: endoreattori a decadimento isotopico (in satelliti ma non in motori da lancio), a fissione nucleare (prototipi testati a terra, NERVA), fusione nucleare (sperimentazioni in corso) e antimateria (studi concettuali ai limiti della realizzabilità).

  3. Energia primaria elettrica, con sorgenti ad arco o resistenza (con conseguente accelerazione gasdinamica), ad ioni (accelerazione elettrostatica) o al plasma (accelerazione elettromagnetica).

  4. Energia primaria radiante, con sorgenti quali: radiazione solare, radiazione laser, microonde.

ENERGIA TRASFORMATA: ne individuiamo 2 classi: energia termica ed energia elettrica, che danno il nome agli endoreattori termici ed elettrici. Si chiamano allora propulsori termici tutti i propulsori a getto (eso ed endoreattori) la cui energia trasformata è di tipo termico, mentre propulsori elettrici se l’energia trasformata è di tipo elettromagnetico. I secondi sono adatti alla navigazione nello spazio, i primi per i sistemi di lancio oppure anche alla navigazione ed alle operazioni in orbita.

ENERGIA CINETICA: viene chiamata in generale energia utile. Viene ottenuta accelerando il propellente, solitamente mediante un ugello gasdinamico supersonico (se energia trasformata di tipo termico) oppure con un campo elettromagnetico (motori elettrici, ad ioni/plasma…)

[continua]

Ottima e chiara trattazione AJ!! :smiley:

Una richiesta: Perché non raccogli questo, e gli altri tuoi mini-trattati in un bel pdf scaricabile?? :wink:

Tra qualche tempo arriverà un enorme pdf, di argomento sorpresa :stuck_out_tongue_winking_eye: Ad ogni modo questo thread continuerà con la spiegazione di massima dei vari propulsori e le caratteristiche più importanti… Stay tuned! :wink:

Ottimo AJ, attendo con viva curiosità il tuo prossimo (e corposo) contributo.

Grande Beppe!!! :smiley: :smiley: :smiley:

Continua!!!

Ottimo!!!
Per curiosità, in che tipo di energia primaria classificheresti i propulsori a gas (inerte) pressurizzato?

Energia primaria chimica (GP- Gas propellant). Intendi quelli utilizzati principalmente per la propulsione personale degli astronauti?

Se ho capito bene quello che intende Artax penso rientri in questa classificazione anche il New Shepard di Blue Origin (è un po’ che non si sente nulla a proposito…), giusto?

Il New Shepard non è a perossido? In quel caso tramite un catalizzatore se ne fa avvenire la reazione di decomposizione in ossigeno e idrogeno + calore, energia che può essere utilizzata per far espandere il gas formatosi in un ugello (se non ricordo male, in questo campo Maverick dovrebbe essere abbastanza esperto, se sei vivo batti un colpo!!!).

Io intendevo un semplicissimo sistema costituito da un serbatoio pressurizzato (in genere con azoto per la sua non-reattività), collegato, tramite (elettro-)valvole, agli ugelli dove viene fatto espandere.
La mia era una semplice curiosità nata dal fatto che sono venuto praticamente in contatto diretto con questo sistema, in quanto sarà presente a bordo del microsatellite dell’Università di Bologna (come dimostratore tecnologico, accoppiato a micro ugelli realizzati come circuiti stampati). Visto che nella categoria energia chimica ci metti “associata al guscio elettronico degli atomi”, mentre l’energia di pressione la vedrei forse sempre in questa categoria, ma pensavo più associata al contenuto energetico delle molecole dovuto al loro moto, ho chiesto come la pensassi.
Si tratta comunque di un sistema che fornisce prestazioni bassine, ma molto vantaggioso per la facilità di realizzazione (non prevede alcuna reazione chimica, quindi liberazione di energia) e di stoccaggio (l’azoto è inerte). Per il futuro dei piccoli satelliti, molto interessante dovrebbe essere proprio il perossido che ha anch’esso facilità di stoccaggio, ma maggiori difficoltà di realizzazione del sistema (chiedo un’opinione ai più esperti (Maverick?)).

Per quanto riguarda la propulsione personale degli astronauti non so cosa si utilizzi, ma non mi stupirei se fosse proprio questo sistema, visto che deve stare a contatto diretto con l’utilizzatore, e che può essere facilmente ricaricato riempiendo nuovamente il serbatoio…

Ok, allora non avevo capito cosa intendessi… pardon :wink:

Abbiamo diviso gli endoreattori, in base all’energia trasformata, in termici ed elettrici.

Negli endoreattori termici l’energia è sostanzialmente di tipo termico: tra questi abbiamo:
1. tutti gli endoreattori ad energia primaria chimica, che forniscono essi stessi l’energia per riscaldarsi: sono a propellenti liquidi (LP), solidi (SP),
gassosi (GP), ibridi (HP) o gelificati (per usi militari): questi vengono chiamati termochimici;

2. eventualmente gli endoreattori a energia primaria di tipo [b]nucleare[/b];

3. gli endoreattori ad energia primaria elettrica di tipo [b]arco o resistenza[/b];

4. eventualmente gli endoreattori ad energia primaria [b]radiante[/b].

In queste 4 categorie un ugello gasdinamico accelera la miscela gassosa ottenuta nella camera di combustione oppure mediante uno scambiatore termico (categorie 2,3,4).

Negli endoreattori elettrici l’energia è sostanzialmente di tipo elettrico: tra questi abbiamo:

1. gli endoreattori ad energia primaria di tipo a [b]ioni[/b] (con accelerazione elettrostatica);

2. gli endoreattori ad energia primaria di tipo al [b]plasma[/b] (con accelerazione elettromagnetica);

3. eventualmente gli endoreattori ad energia primaria di tipo [b]nucleare o radiante[/b], che viene convertita in energia elettrica.

In questi casi il propellente non viene accelerato da un ugello gasdinamico, ma da un campo elettromagnetico, eventualmente con un sistema di neutralizzazione delle cariche espulse a forti velocità (per motori ad ioni).

In generale gli endoreattori termici sono adatti ad ogni tipo di missione, principalmente alla propulsione primaria (i.e. lancio), perchè dotati di forti spinte, pur con impulsi specifici (spinta per unità ponderale di propellente consumato) non elevatissimi come nei motori ad ioni o a plasma. Gli endoreattori termici funzionano per tempi potenzialmente lunghi ed hanno impulsi specifici elevati; sono caratterizzati da spinte modeste (milliNewtons o Newtons), utili quindi per controllo di assetto e propulsione in orbita fungendo da completamento al panorama propulsivo.

[continua]

Nel caso dei propulsori termochimici, che conosciamo meglio perchè caratterizzano la stragrande maggioranza dei sistemi attualmente in uso, e la totalità nel caso dei propulsori da lancio, possiamo distinguere le categorie principali e caratterizzarle meglio.

1. Propellenti liquidi (LP, Liquid propellants), che possono essere monopropellenti (come l’idrazina N2H4 utilizzata per il
controllo di assetto), bipropellenti (come le coppie H2-LOX o RP1-LOX) o tripropellenti. I propellenti liquidi possono inoltre essere classificati in:

  • LP criogenici, che devono sottostare a basse temperature (ampiamente sotto lo zero Celsius) per rimanere allo
    stato liquido, come H2;
  • LP stivabili, che non hanno particolare esigenze termiche;

In base alla tipologia di accensione degli LP abbiamo:

  • LP ipergolici, che si accendono per contatto: è il caso ad esempio della coppia idrazina N2H4/N2O4 usata nei motori
    OMS dello space shuttle;
  • LP non ipergolici, che necessitano di un accenditore: è il caso della coppia O2/H2.

Infine in base alla tecnica di alimentazione si hanno:

  • LP pressurizzati con aria secca/azoto;
  • LP a turbopompa, come negli SSME dello space shuttle.
  1. Propellenti solidi (SP, Solid Propellants): costituiti da un grano propellente solido in materiali compositi e arricchito spesso da metalli che degrada a velocità di regressione dell’ordine di mm/s. Il sistema ha una prontezza operativa molto superiore agli LP ed ha maggiore semplicità. Controindicazione l’impossibilità di spegnimento e riaccensione del propulsore. I SP sono impiegati nei missili oppure nei boosters di accelerazione dei principali lanciatori.

  2. Propellenti ibridi (HP, Hybrid Propellants): esistono in configurazione base (solido combustibile e liquido ossidante) o invertita (solido ossidante e liquido combustibile). Sono in fase avanzata di studio da molti anni senza applicazioni tranne nel propulsore di Space Ship One (2001). Allo studio applicazioni per i boosters di accelerazione.

  3. Propellenti gassosi (GP, Gas Propellants): propellenti formati da gas di azoto, argon, aria secca, soprattutto per la propulsione personale degli astronauti in attività extraveicolare (EVA) per la maggiore sicurezza rispetto a sistemi esplosivi.

  4. Propellenti gelificati: contengono additivi che rendono i propellenti densi quando sono nei serbatoi ma liquidi se immersi nelle tubazioni. Non sono infiammabili e si conservano a lungo, molti sono stivabili ed anche alcuni criogenici possono subire gelificazione. Sono in generale più sicuri di LP ed SP, ma sono ancora in fase sperimentale.

[continua]

Nota: l’organizzazione di queste classificazioni scaturisce dal corso di endoreattori presso il Politecnico di Milano.

Errata corrige: l’idrazina e’ N2H4, mentre il N204 e’ il tetrossido d’azoto…

Forse non tutti sanno che questa categoria di propulsori (H2O2+catalizzatore in argento) venne usata dal 1964 ai primi anni '80 su veicoli terrestrii.

Si trattava di mezzi speciali per le gare di accelerazione sul quarto di miglio (402 metri) con partenza da fermo.
Il primo veicolo di questa categoria venne costruito da un piccolo atelier americano costituito all’uopo: la Raction Dynemics che in poco tempo allesti la X-1 un dragster a razzo che servì come banco prova per The Blue Flame, un veicolo a razzo (l’unico che compare nell’albo d’oro dei record su terra) molto più potente e veloce, che nell’ottobre del 1970 conquistò il record di velocità su terra raggiungendo sulla base del lago salto di Bonneville nello Utah la ragguardevole velocità di 1014.656 km/h (630.478 mph), al volante c’era Gary Gabelich un “daredevil” di origine croata che tra le altre cose aveva operato alle dipendenze della North American Rockwell completando tra l’altro una serie di lanci da oltre 30000ft per filmare la sequenza di apertura dei prototipi delle prime capsule Apollo e nello stesso tempo effettuava il programma da candidato astronauta.

Il record assoluto sul quarto di miglio è detenuto prprio da uno di questi veicoli, l’Oxigen di Sammy Miller, che sulla pista di Santa Pod (UK) nel 1984 raggiunse le 384 mph (614.4 km/h) con un tempo di percorrenza di 3 secondi e 58 centesimi; per un paio di secondi il plota incassò circa 12G!..

All’URL qui sotto potete vedere all’opera que4sto bolide proprio sulla pista inglese.
http://videos.streetfire.net/video/ceea7138-5a48-4bdd-bb74-98540077563b.htm

  • Nelle immagini, da sx:
  • L’X-1 nella foto ufficiale alla presentazione 1964

  • L’X-1 col suo pilota, Chuck Suba

  • Il rocket dragster Oxigen al parco chiuso della Santa Pod Raceway

  • The Blue Flame sulla pista di Bonneville

Chiedo scusa ma con gli allegati proprio non vado daccordo… ](*,)

Provo a ripetere. Se non ci riesco nemmeno questa volta mi do all’ippica… :smiley:

Dunque la foto allegata al post precedente era The Blue Flame, non a Bonneville ma al museo di Sinsheim (D)

Qui invece dovrebbe esserci il resto della sequenza come già descritta.

Ancora sorry…

Giornataccia oggi…
Ovviamente la società costruttrice dell’X-1 Rislone Rocket NON era quella strana cosa che ho scritto ma la Reaction Dynamics di Milwaukee, Wisconsin.
Fondata da Dick Keller e Ray Dausmann,due fisici esperti in dinamica dei fluidi che all’epoca lavoravano per la Natural Gas Industry & Southern California Gas Company.
Ecco ora ho terminato le correzioni sugli er…orrori del primo post.
Perdonate questo povero vecchio un pò rinco vi prego…

Verissimo :stuck_out_tongue_winking_eye:

I miei 2 cents: la ricette dei propellenti solidi sono svariate; quella dello shuttle è:
combustibile: polvere di alluminio, circa 16%
ossidante: perclorato di ammonio (NH4ClO4), circa 70%
legante: resina acrilonitrile-acido acrilico-butadiene (noto come PBAN), agisce sia da legante che da combustibile, circa 12%
catalizzatori: ossido di ferro e epossidi, circa 2%

Altre ricette non prevedono l’uso dell’alluminio, e in questo caso il combustibile è solo la resina legante; in alternativa si sono usati altri ossidanti (ad es. perclorato di potassio, KClO4 o nitrato d’ammonio, NH4NO3) o resine diverse, come l’HTPB (polibutadiene idrossil terminato), poliuretani,
polibutadiene ecc.

Inoltre, faccio anch’io una piccola errata-corrige: gli OMS dello shuttle usano come combustibile non l’idrazina, ma un suo derivato, la metilidrazina (CH3-NH-NH2), spesso chiamata MMH

Infine, per quanto riguarda i motori a propellente ibrido, come non citare il razzo a salame dei Mythbusters? :stuck_out_tongue_winking_eye:

Le errata corrige confermano l’elevato livello di molti utenti di questo forum :wink: