Le tecniche di controllo vettoriale della spinta sono necessarie per modulare, in direzione, il vettore spinta, permettendo quindi traiettorie di volo generiche e non solo rettilinee sulla verticale locale. Benchè¨ infatti le traiettorie dipendano anche dalle altre forze in gioco, comprese forze di natura gravitazionale e aerodinamica, la spinta determina proprio, approssimativamente a livello di direzione, la traiettoria stessa. Le tecniche di controllo vettoriale della spinta per motori termici (endoreattori a solido, a liquido,…) sono chiamate TVC (Thrust Vector Control).
Possiamo avere
(1) Controllo tramite cerniera o snodo sferico;
(2) Controllo tramite ugelli di scarico delle turbine;
(3) Controllo dell’ugello tramite giunti flessibili;
(4) Controllo tramite deflettori o alette;
(5) Controllo tramite collari o prolunghe del divergente;
(6) Controllo con getti di fluido nel divergente;
(7) Controllo con superfici aerodinamiche.
Il controllo TVC tramite snodo sferico è applicato a molti propulsori a liquido, in cui la camera di combustione è di dimensioni ridotte ed è fortemente inglobata nel tratto convergente dell’ugello. In questa configurazione molto comune, l’ugello e la camera di combustione vengono chiamati “camera di spinta” o thrust chamber, e sono legati monoliticamente. E’ quindi possibile e indicato muovere attraverso un giunto flessibile rotante l’intero complesso della thrust chamber permettendo una rotazione di alcuni gradi dell’intero complesso, ugello compreso, attorno all’asse longitudinale. Gli spostamenti angolari arrivano a quasi 15° nelle configurazioni correnti.
Il contrllo TVC attraverso ugelli secondari, ad esempio gli ugelli di scarico delle turbine delle turbopompe, è possibile nel caso l’alimentazione del propellente avvenga appunto con turbopompe. In questo caso il gas che le mette in moto (proveniente da generatore di gas oppure dalla stessa camera di combustione) deve essere espulso: l’espulsione può avvenire in camera di combustione, nel divergente dell’ugello oppure in sistemi secondari, ossia piccoli ugelli, variamente orientati o orientabili più facilmente, che forniscono, governati da opportuni algoritmi, spinte direzionate opportunamente.
Il controllo TVC tramite giunti flessibili consiste nell’inserimento di giunti nel tratto divergente dell’ugello, flessibili e comandati da attuatori meccanici o idraulici, tali da indirizzare il divergente e quindi modulare in direzione l’uscita dei gas. Questa configurazione è prediletta dai boosters a propellente solido con divergenti a tronco di cono, in cui la camera di combustione è l’intero volume utile del combustore e, quindi, non può essere controllata interamente per la grande massa. Gli spostamenti angolari sono anche di 20°.
Il controllo TVC tramite alette e deflettori di flusso si effettua alla fine dell’ugello gasdinamico, che deviano il getto di uscita. Questa tecnica è stata utilizzata fin dagli albori della missilistica (V2) ed è tuttora utilizzata in molti missili tattici specie dell’ex galassia sovietica, indice particolare dell’estrema competenza russa sulle problematiche del controllo termico e della corrosione, cui queste tecnologie sono inevitabilmente sottoposte. Svantaggi di questa tecnica sono perdite di prestazioni, in termini di modulo della spinta e valori di impulso specifico.
Il controllo TVC tramite collari o prolunghe del tratto divergente comprende parti estreme dell’ugello che vengono orientate nella direzione voluta (collari o appendici flessibili orientabili) tali da indirizzare il flusso. Questa tecnica è meno problematica della precedente.
Il controllo TVC più complesso è quello a livello fluidodinamico, ossia con l’inserimento del flusso caldo nella parte divergente dell’ugello, a velocità supersoniche. Le portate in massa del flusso inserito lateralmente sono molto inferiori di quelle principali, ma determinano onde d’urto supersoniche e quindi un notevole cambiamento dell’intera tipologia del flusso nel divergente. Alcune applicazioni sono nei lanciatori Titan. La spinta totale potrebbe anche diminuire in caso l’onda d’urto arrivi nella parte opposta dell’ugello da cui viene iniettata. Il fluido iniettato nel divergente come deviatore del flusso è solitamente spillato direttamente dalla camera di combustione, evitando necessità di circuiti paralleli ridondanti.
Il controllo TVC tramite superfici aerodinamiche è esterno all’apparato propulsivo, e sfrutta ali o superfici mobili generanti forze aerodinamiche per creare forze e momenti agenti sul veicolo.
Immagine tratta da: Sutton - Rocket Propulsion Elements
Sembra in effetti più adatta a missili piuttosto che a lanciatori o sistemi di propulsione spaziale (che tra l’altro sfruttano più motori e non necessitano di TVC) …