Appunti di Propulsione Aerospaziale

P R O P U L S I O N E

A E R O S P A Z I A L E

A P P U N T I

Propulsione Aerospaziale

Appunti di Teoria

A cura di

Giorgio Montorfano

e

Riccardo Rota

Indice

I Introduzione ai sistemi per la propulsione aerospaziale 4

Motori airbreathing - panoramica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Motori alternativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Turboreattori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Turboelica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Ramjet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Endoreattori - panoramica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Propulsione chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Propellente solido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Propellente liquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Ibridi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Propulsione elettrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Propulsione nucleare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Turboreattori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Turboreattore semplice e turbofan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Osservazione sull’ugello convergente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Turboelica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Propfan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Ramjet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Endoreattori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Endoreattori termochimici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Propellente liquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Propellente solido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Propellente ibrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Combinazioni tra metodi propulsivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Cenni sullo Space Shuttle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Endoreattori nucleari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Endoreattori elettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

II Caratteristiche peculiari dei sistemi propulsivi 14

Spinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Velocità efficace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Rendimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Rendimento termico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1

INDICE INDICE

Rendimento propulsivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Conclusioni sui rendimenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Impulso specifico e consumo specifico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Rapporto spinta/peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Impulso specifico volumetrico e totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Coefficiente di spinta, di efflusso, velocità caratteristica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Formula di Brequet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Equazione di Tsiolkovski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Dimostrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Veicoli multistadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Indici di stadiazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Esempi numerici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Monostadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Multistadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Stadiazione in serie e in parallelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Dalla Terra alla Luna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

III Onde d’urto 29

Onde d’urto normali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Equazioni di governo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Ulteriori osservazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Onde d’urto oblique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Equazioni di governo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Distacco dell’onda d’urto obliqua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Onde d’espansione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Il ventaglio di Prandtl-Meyer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Breve riassunto delle interazioni delle onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

IV Fondamenti di combustione 37

La fiamma - Breve introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Il motore a ciclo Otto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Turboreattori ed endoreattori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Le fiamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Classificazione delle fiamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

La temperatura adiabatica di fiamma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Il rapporto di miscela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Fiamme, colori e infiammabilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Sistemi termodinamici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

V Prese d’aria 43

Breve descrizione delle caratteristiche di una presa d’aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Prese d’aria subsoniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Prese a compressione interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2

INDICE INDICE

Separazione del flusso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Prese d’aria supersoniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Presa di Pitot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Presa a spina conica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Presa convergente-divergente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

VI Ugelli 48

Considerazioni conclusive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Coefficiente di spinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Velocità di efflusso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Dimostrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

VII Camere di combustione 56

Struttura e funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Tipologia camere di combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Pattern factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Combustibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Proprietà dei combustibili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Inquinanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

VIII Richiami di termodinamica 61

IX Richiami di fluidodinamica 64

Teorema del trasporto di Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Applicazione delle equazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Equazione di conservazione della massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Conservazione della quantità di moto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Conservazione dell’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Equazioni in forma generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Conservazione della massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Quantità di moto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Equazione dell’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Flussi comprimibili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Effetti della comprimibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Condizioni di ristagno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3

Parte I

Introduzione ai sistemi per la propulsione

aerospaziale

4

MOTORI AIRBREATHING - PANORAMICA

In un solo secolo di storia (il primo volo con propulsore, quello dei fratelli Wright, è datato 1903) si sono compiuti enormi

progressi in campo aerospaziale. Questo è stato possibile grazie alla scoperta e all’impiego di nuovi materiali che hanno

permesso grandi sviluppi anche nel settore della propulsione. Avere un materiale migliore, nello specifico più resistente

alle alte temperature, permette di ottenere risultati più efficienti.

Un sistema di propulsione aerospaziale converte l’energia messa a disposizione da un impianto propulsivo in energia

cinetica di un getto propellente. variazione della quantità di moto,

Il principio fisico su cui è basata la spinta è la e non la conservazione dell’energia, imposta

al fluido trattato.

Motori airbreathing - panoramica airbreathing.

I motori per la propulsione aeronautica che prelevano ossigeno per la combustione dall’atmosfera sono detti

Essi possono essere di diversi tipi:

• Motori alternativi

• Turboreattori

• Turboelica

• Ramjet

• Scramjet

Motori alternativi

Sono basati su un ciclo Otto e sono molto simili ai comuni motori alternativi dei veicoli a benzina. Le differenze risiedono

nella sovralimentazione con compressore meccanico (necessaria perchè all’aumentare della quota la densità diminuisce ed

entrerebbe meno aria in camera di combustione), nelle velocità di rotazione più basse e nel sistema a doppia accensione

twin spark.

Turboreattori semplice

Sono i motori più diffusi: il caso di turboreattore è quello in cui tutta l’aria passa attraverso un processo di

turbofan,

combustione. Tuttavia, il rendimento di questo motore è piuttosto basso, e un’evoluzione del turboreattore è il

in cui all’ingresso l’aria passa attraverso un ventolone e non tutta la massa entrante partecipa alla combustione. I motori

turbofan possono essere: 1

• a flussi associati: di impiego militare, hanno un rapporto di bypass pari a I flussi di aria fredda e calda vengono

1, 2.

miscelati prima di essere scaricati dall’ugello. ÷

• a flussi separati: di impiego civile, hanno un rapporto di bypass di circa I flussi di aria fredda e calda non

8 9.

vengono miscelati prima dell’espulsione.

Turboelica

Motore ad elica in cui l’elica stessa è azionata da una turbina a gas. Hanno un rendimento migliore del turboreattore,

ma presentano l’inconveniente di dover disporre di un riduttore (che comporta anche un aggravio di peso) per adattare il

numero di giri dell’albero motore a quello dell’albero dell’elica.

1 Rapporto tra portata massica di aria fredda e portata massica di aria calda.

5

ENDOREATTORI - PANORAMICA

Ramjet

Si tratta di un turboreattore senza macchine rotanti: questo motore, da solo, non può permettere all’aereo di decollare

(a punto fisso produce spinta nulla). Si noti che a Mach 5 l’incremento di temperatura dato dall’arresto di un fluido è

pari a quello generato da una combustione, è perciò inutile dar vita alla combustione: oltre Mach 5, quindi, il ramjet

non funziona. Se si ha un velivolo supersonico, si deve rallentare (con onde d’urto) il fluido nella presa d’aria - e poi nel

compressore - entrando in camera di combustione a velocità subsoniche. L’espansione in turbina avverrà poi a velocità

supersoniche. Questo processo è molto svantaggioso dal punto di vista energetico: tuttavia, non riuscendo a produrre

2 scramjet,

una combustione supersonica (è il caso dello acronimo di “Supersonic Combustion Ramjet”), non si può fare

altrimenti.

Endoreattori - panoramica

Oltre agli esoreattori, esistono motori destinati ad andare fuori dall’atmosfera: gli endoreattori.

Essi si dividono, in base alla propulsione, in endoreattori:

• A propulsione chimica

• A propulsione elettrica

• A propulsione nucleare

Propulsione chimica

Sono gli unici endoreattori che permettono ad un velivolo di uscire dall’atmosfera terrestre (perchè generano una spinta

sufficiente), si basano su un processo di combustione in cui un combustibile viene ossidato. Si dividono in endoreattori:

• A propellente solido: presenza di grano propellente solido.

• A propellente liquido: combustibile e ossidante sono allo stato liquido.

• Ibridi: l’ossidante o il combustibile è allo stato solido e l’altro allo stato liquido o gassoso.

Propellente solido

Producono una grande quantità di energia per unità di volume. Nelle applicazioni civili sono delle gomme esplosive per

fiamma premiscelata

le quali è prevista la cosiddetta (combustibile e ossidante sono già miscelati a livello molecolare): la

camera di combustione è la perforazione che percorre tutto il cilindro di grano propellente. Si tratta di un sistema molto

semplice, senza pompe nè necessità di combustibili criogenici.

Propellente liquido 3

impulso specifico

Sono molto più efficienti del propellente solido, infatti hanno un molto più elevato. I valori massimi di

impulso specifico, in particolare, sono ottenuti con ossigeno e idrogeno liquidi. Un grande vantaggio dall’utilizzo di questi

motori è la flessibilità del motore: cambiando portata di ossidante si può variare la spinta - al limite spegnendo il motore.

2 L’inconveniente è di natura fisica, più che tecnologica: il tempo caratteristico della fluidodinamica, a tali velocità, è più piccolo di quello della chimica:

un ipotetico volumetto di fluido attraverserebbe la camera di combustione senza far in tempo a bruciare.

3 L’impulso specifico ponderale è il rapporto tra spinta e portata in peso del propellente. Se si moltiplica tale valore per la densità del propellente si ha

l’impulso specifico volumetrico. 6

TURBOREATTORI

Ibridi

Sono generalmente formati da combustibile allo stato solido e ossidante allo stato liquido: economici, ereditano dal pro-

pellente solido la geometria semplice del grano di propellente e da quello liquido la flessibilità che consente una spinta

regolabile. Un notevole svantaggio è dato dal fatto che è possibile l’instaurarsi di una fiamma a seguito della rapida tran-

sizione solido/gas cui è sottoposto il grano di propellente. La miscelazione tra lo strato limite di grano propellente e

l’ossidante, nella combustione ibrida, ha un tempo caratteristico molto maggiore del tempo di combustione,