Motore a getto

La propulsione aerea: il motore a getto

Breve sommario

• Alcune nozioni sulla propulsione aerea (pag. 2-3)
• La storia del motore a getto (pag. 3-6)
• Cenni sulle equazioni fondamentali della fisica aerea (pag. 7)
• Il turbogetto (pag. 8)
• Componenti principali e seguente analisi (pag. 9-17)
• Fonti (pag. 18)

Motore a getto

Schema di un turbogetto

Il motore a getto o jet engine è un particolare tipo di motore a reazione spesso usato come propulsore negli aeroplani. Anche detto esoreattore (perché per funzionare ha bisogno di aria, fornita appunto dall'esterno, gli inglesi, amanti della semplicità, lo chiamano air breathing engine, letteralmente motore che respira aria), si distingue dagli altri motori a reazione (nel dettaglio: endoreattore o motore a razzo) per la caratteristica di utilizzare l'aria esterna come comburente.

Il principio di funzionamento di tutti i motori jet è essenzialmente lo stesso: essi accelerano una massa (formata da aria e prodotti della combustione) in un verso che per la terza legge della dinamica o seconda legge di Newton produce una spinta nel verso opposto.

L'aria viene aspirata dal motore frontalmente ed entra (eventualmente) in un compressore che la porta alla pressione voluta. Successivamente entra nella camera di combustione dove si miscela con il combustibile atomizzato e avviene dunque la combustione con incremento di temperatura e pressione.

La massa dei gas combusti entra quindi generalmente in una turbina dove viene espansa (generando inoltre l'energia necessaria al funzionamento del compressore). Infine, ad una pressione maggiore di quella esterna, l'aria e i prodotti della combustione completano l'espansione negli ugelli e vengono espulsi verso l'esterno generando la spinta necessaria.

Il campo di applicazioni di questi motori è estremamente vasto, con particolare diffusione nel campo della propulsione aeronautica, in diversi campi delle propulsione navale e nella generazione di energia nelle centrali elettriche. In particolare, quando applicato ad aeroplani, il motore a getto risulta maggiormente efficiente per alte velocità e quota di volo; per aerei più lenti o per tratte più corte diventano più convenienti i motori di concezione "mista" (turboelica o turboprop) in cui la turbina aziona anche un'elica che funge da organo propulsore. Aerei ancora più piccoli utilizzano dei tipici motori a pistoni con propulsione ad elica. 2

È importante notare che il motore a getto riunisce in sé il sistema motore che trasforma l'energia chimica del carburante in una forma utile per la propulsione ed il sistema propulsivo costituito dal getto che fuoriesce dall'ugello di scarico. Tali elementi sono separati nei sistemi con motore alternativo o turboprop. Infatti in entrambi i casi il propulsore è costituito da un'elica: nel primo caso mossa direttamente o tramite una scatola ingranaggi dall'albero motore e nel secondo sempre da una scatola ingranaggi che riduce i giri di un albero turbina.

Le eliche hanno una efficienza propulsiva migliore dei motori a getto perché accelerano grandi masse d'aria a velocità relativamente basse ma il loro rendimento decresce rapidamente quando le estremità delle pale divengono soniche o supersoniche (la velocità della pala è data dalla somma vettoriale tra la velocità del velivolo e la velocità tangenziale della pala; per cui all'aumentare della velocità del velivolo le possibilità di impiego dell'elica si riducono). Per aumentare l'efficienza dei motori a getto (detti anche turbojet o turbogetti) sono stati progettati i turbofan.

Storia

Fin dall'inizio della storia dell'aeroplano, il motore alternativo a pistoni, nelle sue differenti forme (motore stellare, motore in linea, a V) è stato l'unico tipo di motore disponibile per il progettista aeronautico. Ciò era comprensibile finché basse performance potevano essere considerate accettabili, se non inevitabili. Tuttavia, all'incirca verso la fine degli anni trenta si cominciò a comprendere che, concettualmente, il motore alternativo poneva esso stesso delle limitazioni alle prestazioni che era possibile raggiungere. Tale limite era essenzialmente legato all'efficienza del propulsore (l'elica), che raggiungeva valori di picco con l'approssimarsi della velocità radiale delle pale a valori supersonici.

Ovviamente per superare tale barriera tecnologica risultava necessario un cambiamento radicale del motore a pistoni oppure l'introduzione di una tecnologia completamente nuova. Il motore a getto rappresentò in quel periodo appunto quella "nuova tecnologia" che permise all'ingegneria aeronautica di fare un balzo in avanti forse paragonabile a quello dei fratelli Wright.

I motori a getto possono essere “datati” già dal I secolo a.C., quando Erone d’Alessandria progettò l’eolipila (figura). Questo marchingegno utilizzava la forza a vapore diretto attraverso due ugelli inducendo così la sfera a girare rapidamente sul suo asse. Da quello che sappiamo, fu poco usata per rimpiazzare l’energia meccanica, e le potenzialità pratiche di applicazione dell’invenzione di Erone non furono riconosciute. Non era nient’altro che una curiosità per l’epoca.

Lo sviluppo della propulsione a getto decollò letteralmente e figurativamente con l’invenzione del razzo (rocket) da parte di un cinese nell’XI secolo. La potenza del razzo fu però inizialmente sfruttata in maniera modesta, all’inizio per semplici fuochi d’artificio, successivamente per utilizzi militari. E così si stallò per centinaia di anni.

L’eolipila di Erone

Il problema era che il razzo era troppo poco efficiente per poter essere applicato su aviomezzi. Infatti, nel 1930, il motore a pistoni era l’unico tipo di motore utilizzabile per far volare un aereo. Questo però ostacolava di gran lunga l’evoluzione di modelli più efficaci in termini di potenza massima, anche perché gli aerei non avevano richieste elevate. Ma proprio a questo punto gli ingegneri cominciarono a capire che il motore a pistoni si autolimitava per utilizzi del genere. 3

I primi tentativi di attrezzare un aeroplano con un motore a getto si basarono essenzialmente su delle concezioni di motore "ibrido", in cui una sorgente meccanica esterna (tipicamente un motore alternativo) muoveva il compressore e, a valle di tale compressione, avveniva la miscelazione con il combustibile, la combustione e quindi l'espansione nell'ugello. Un prototipo "volante" con questa concezione fu l'aereo italiano Campini-Caproni C.C.2 progettato dall'ingegnere Secondo Campini sul finire degli anni '30 e che fece il suo primo volo il 27 agosto del 1940.

Questo tipo di motore (ideato già da Henri Coandă nel 1910) viene generalmente detto, secondo la nomenclatura scelta dallo stesso Campini, termogetto o, più propriamente motoreattore. Il termogetto comunque, dopo le prime applicazioni pionieristiche, non ebbe successo a causa dell'elevata complessità costruttiva e delle prestazioni non elevate (era addirittura più lento dei “vecchi” motori a pistoni!).

La chiave di volta nell'utilizzo del motore a getto fu in effetti l'utilizzo della turbina a gas all'interno del motore stesso, usata per produrre l'energia necessaria a muovere il compressore. L'idea di un motore a turbina c’era già, e la sua paternità deve essere attribuita all'inglese John Barber nel 1791.

La prima turbina a gas di questo tipo fu costruita nel 1903 dall'ingegnere norvegese Aegidius Elling. Diversi problemi, dal punto di vista tecnologico, economico e, in particolare modo, di sicurezza e di resistenza dei materiali, non permisero tuttavia, per lungo tempo, di avviare una produzione non prototipale di tali motori.

Il 16 gennaio del 1930, in Gran Bretagna, Frank Whittle ottenne un primo brevetto per un motore a getto per aeroplano. Nel 1935 Hans von Ohain, in Germania, cominciò a lavorare ad un progetto simile, molto probabilmente all'oscuro dei lavori quasi contemporanei di Whittle.

Ohain contattò Ernst Heinkel, uno dei maggiori industriali aeronautici dell'epoca, che immediatamente vide le prospettive del progetto. Heinkel aveva recentemente acquistato la fabbrica di motori Hirth e Ohain, e il suo capomeccanico Max Hahn, furono messi a capo di una nuova divisione della Hirth. Il loro primo motore Hs1 era in funzione nel settembre 1937. A differenza del progetto di Whittle, Ohain utilizzò l'idrogeno, al quale attribuì i successi iniziali, come carburante.

Rispettivamente, Ernst Heinkel e Hans von Ohain

I progetti successivi culminarono nel motore Hs3 che forniva 498 kgf (5 kN - 1,100 lb) di spinta.