endoreattori - ISIS "GIULIO NATTA"

Istituto Superiore “Giulio Natta”
Bergamo
Esame di stato 2013-2014
Anno scolastico 2013-2014
ENDOREATTORI
Di Francesco Rossato 5° Dlst
Indice:
1) Premessa
2) Introduzione
3) Storia
3.1) Prima dei missili
3.2) Prima guerra mondiale
3.3) Seconda guerra mondiale
3.4) Wernher von Braun
3.5) Guerra fredda
3.6) L’era spaziale
4) Fisica
4.1) Sistemi a energia primaria e secondaria
4.2) Sistemi di inseguimento
4.3) Propulsione elettrica
5) Chimica
5.1) Endoreattori a propellente liquido
5.2) Endoreattori a propellente solido
5.3) Endoreattori a propellente ibrido
6) Scienze della terra
6.1) Hydrocracking
6.2) Steam cracking
7) Inglese
7.1) Oscar Wilde
7.2) The Happy Prince and Other Tales
8) Bibliografia e sitografia
1) Premessa:
Ho deciso portare come argomento a scelta gli endoreattori, ovvero il sistema di propulsione dei
missili. Fin da piccolo Jules Verne ha catturato la mia curiosità, facendomi appassionare
all’astronautica. In uno dei viaggi con i miei genitori ho avuto il piacere di visitare il Deutsches
Museum di Monaco di Baviera, il più grande museo al mondo di scienza e tecnologia nel quale una
delle sezioni principali è dedicata proprio alla materia che mi appassiona. Tale sezione, con i primi
aerei, i motori jet e supersonici in sezione, la parte dedicata all'esplorazione spaziale con un
Mercury e un autentico missile V2, mi ha colpito profondamente spingendomi a documentarmi con
i manuali di storia di mio nonno sulla seconda guerra mondiale. Ispirato da Verne, dal museo di
Monaco e dal film “Cielo d’ottobre” (che si ispira ad una storia realmente accaduta, raccolta nel
libro di memorie di un ingegnere della NASA) anni fa ho costruito il mio primo razzo a propellente
solido.
2) Introduzione:
Per descrivere al meglio questa tecnologia ho deciso di riferirmi alle seguenti materie:
-Storia: riassunto dell’evoluzione del motore a razzo e dei suoi effetti sul corso della storia partendo
dalle fantasia di Jules Verne, esplicando le sue funzioni nella prima e seconda guerra mondiale e
concludendo con la guerra fredda e l’era spaziale.
-Fisica: spiegazione del principio di base del funzionamento, descrizione dei sistemi di
inseguimento e dei motori spaziali elettrici di ultima concezione.
-Chimica: distinzione tra endoreattori a propellente liquido, solido e ibrido.
-Scienze della terra: descrizione del principale metodo di produzione del cherosene (uno dei più
comuni propellenti per razzi).
-Inglese: Oscar Wilde e la raccolta di favole The Happy Prince and Other Tales
3) Storia
Storicamente, i primi tentativi di sviluppare un razzo si fanno
risalire ai cinesi circa nel 300 a.C., che utilizzavano polvere
nera. Questi razzi erano pensati come mezzo di
intrattenimento, i precursori degli odierni fuochi d'artificio,
ma in seguito vennero impiegati come arma da guerra.
3.1) Prima dei missili
Prima ancora dell'invenzione del missile a propulsione, in
“De la Terre à la Lune, trajet direct en 97 heures 20
minutes”, il romanzo di fantascienza di Jules Verne del 1865,
si anticipano le prime fasi dello storico allunaggio avvenuto
poi realmente il 20 luglio 1969 con la missione Apollo 11. I
soci del Gun Club, associazione americana di artiglieri con
sede a Baltimora, annunciano di aver inventato un cannone
capace di sparare un proiettile in grado di raggiungere la
Luna. Il progetto prevede che il proiettile sia di forma sferica, costruito in alluminio, e che il
dispositivo di lancio, un'enorme bocca in ghisa scavata nel terreno, utilizzi come detonatore il
Fulmicotone (o Nitrocellulosa). Un avventuriero francese propone di modificare la forma del
proiettile da sferica a cilindro-conica in modo tale da potervi entrare, offrendosi di diventare così il
primo astronauta della storia. Il romanzo presenta particolari tecnici notevoli e si rivela
estremamente profetico: i protagonisti, dopo essere stati lanciati nello spazio, devono liberarsi del
loro cane, morto durante la partenza. Dopo averlo gettato nello spazio esso, ridotto in condizioni
miserevoli, continua il viaggio al di fuori della navicella poiché ancora possiede l’energia cinetica
ottenuta con la spinta iniziale. Tale evento si ripete anni dopo con l’Apollo 11, che si ritrovò ad
avere un oggetto che li seguiva a distanza; anziché il cadavere di un cane, uno dei pannelli che
raccordavano il terzo stadio del vettore Saturno 5 al modulo di servizio e che si era staccato quando
avevano estratto il LEM dal suo alloggiamento, ma la causa è identica.
3.2) Prima guerra mondiale
I primi razzi erano molto imprecisi. Senza alcuna rotazione del razzo, né l'inserimento di alcun
giunto cardanico di spinta, essi avevano la tendenza a virare in maniera acuta dalla traiettoria. Il
problema dell'accuratezza fu principalmente risolto nel 1844 quando William Hale modificò il
disegno stesso del razzo così che la spinta fosse leggermente vettorizzata per causare una rotazione
del razzo attorno alla direzione del moto, analogamente ai proiettili. I primi razzi erano anche
decisamente inefficienti, per cui il loro uso per scopi militari venne accantonato nella seconda metà
dell'Ottocento in seguito al miglioramento delle artiglierie. L'uso
dei razzi venne ripreso durante la Prima guerra mondiale, quando i
francesi inventarono un razzo incendiario da montare sugli aerei
per abbattere palloni aerostatici e dirigibili nemici. I razzi moderni
nacquero quando Robert Goddard collegò un ugello di de Laval
alla camera di combustione di un motore di un razzo,
raddoppiando la spinta e aumentandone enormemente l'efficienza,
accordando così la reale possibilità di effettuare viaggi spaziali.
3.3) Seconda guerra mondiale
La V1 fu un ordigno bellico utilizzato dalla Luftwaffe nell'ultima fase della seconda guerra
mondiale che univa le caratteristiche di un aereo a quelle di una bomba aeronautica e si può
considerare il primo esempio di missile da crociera. La V2 fu un precursore dei missili balistici
utilizzato in particolare contro la Gran Bretagna.
I primi lanci dovevano avere luogo il 12 giugno
1944, venti minuti prima di mezzanotte, ma
grandi difficoltà vennero accusate dai siti di
lancio. Alle 3.30 del 13 l’ufficiale responsabile
non osò addossarsi la responsabilità di ritardare
ulteriormente l’entrata nella storia dell’arma
impazientemente attesa dal suo Fuhrer. 500
ordigni erano sul posto, 54 le rampe di lancio
ultimate; se ne poterono lanciare solo 10, 5
esplosero al decollo, un sesto cadde nella Manica
e dei 4 che oltrepassarono la costa inglese uno solo raggiunse Londra, uccidendo 6 persone. Il rinvio
concesso ai londinesi è breve. Il tiro riprende il 15 e il 16: a mezzogiorno sono stati già lanciati 244
missili. 144 cadono sull’Inghilterra, di cui 73 su Londra. A causa del sistema di pilotaggio
rudimentale l’imprecisione è molto grande ma lo scoppio
è potente e i danni sono considerevoli. Dal 1942 Londra
era praticamente uscita dalla guerra aerea ma con queste
“armi di rappresaglia”(Vergeltungswaffen), vi rientra.
L’Inghilterra è stanca e, come nota Churchill, la natura
impersonale della nuova arma produce un effetto
deprimente. Il progresso della tecnica tedesca nel campo
della propulsione a reazione sarebbe costato molto caro
alle formazioni da bombardamento britanniche e
americane, se fosse stato applicato con priorità ai cacciaintercettatori. Nonostante gli intensi bombardamenti
effettuati sulla base di lancio e sviluppo, a Pleenmunde, la
Luftwaffe si preparava a riprendere l’attacco su Londra
con le sue “bombe volanti” V1 e V2. La prima era ancora
raggiungibile dai caccia e dalla contraerea ma non era il
caso della V2, vero e proprio missile nel senso che diamo
oggi a questo termine: calando sull’obiettivo a una
velocità di un chilometro al secondo, irraggiungibile.
Ambedue erano cariche di una tonnellata di esplosivo e
vantavano un’autonomia di 400km. Oltre tutto queste
terribili armi erano economiche sia per costo che per
manodopera.
3.4) Wernher von Braun
Prima e durante la seconda guerra mondiale lavorò allo sviluppo dei
razzi in Germania, campo in cui ottenne successi senza precedenti. Fu
responsabile del disegno e della realizzazione dei razzi V-2. Dopo la
guerra, assieme ad altri scienziati del suo gruppo, si consegnò alle
forze statunitensi che, comprendendo il suo alto valore di uomo e di
scienziato, lo impiegarono immediatamente nell'esercito statunitense
per venire poi assimilato definitivamente nella NASA.
Negli anni di collaborazione con la NASA, fu direttore del nuovo
Marshall Space Flight Center nonché progettista del veicolo di lancio
Saturn V, il superpropulsore che portò la missione Apollo sulla luna
nel 1969, il vero coronamento di tutta la sua opera scientifica. Come
definito dalla NASA, egli è "indubbiamente il più grande scienziato
dei tecnica missilistica ed aerospaziale della storia". Nel 1975
ricevette la National Medal of Science.
3.5) I missili nella guerra fredda
Il 14 ottobre del 1962, un aereo spia americano U2 fotografò le prove che l’Unione Sovietica stava
costruendo a Cuba delle basi per lanciare missili nucleari in grado di colpire gli Stati Uniti. Quel
giorno cominciò la più grave crisi dall’inizio della guerra fredda: per tredici giorni l’Unione
Sovietica e gli Stati Uniti si fronteggiarono, arrivando più volte vicini alla guerra.
La crisi terminò il 28 ottobre, quando l’Unione Sovietica accettò pubblicamente di smantellare le
basi a Cuba e gli Stati Uniti accettarono, in segreto, di smantellare i loro missili nucleari in Italia e
Turchia. In seguito alla crisi venne creato il cosiddetto “Telefono rosso”, un sistema di
comunicazione diretto tra la Casa Bianca a Washington e il Cremlino a Mosca. Grazie al Telefono
rosso i leader di Stati Uniti e Unione Sovietica potevano comunicare rapidamente scongiurando
nuove crisi.
3.6) L’era spaziale
Sputnik I e l'inizio dell'era spaziale
Lo Sputnik 1 fu il primo satellite artificiale in orbita nella storia.
Venne lanciato il 4 ottobre 1957.
Esseri viventi:
I moscerini della frutta lanciati dagli Stati Uniti su dei razzi V-2
tedeschi catturati nel 1946 furono i primi esseri viventi inviati nello spazio per studi scientifici. Il
primo animale sovietico, il cane Laika, viaggiò nello Sputnik 2 nel 1957, morendo soffocata perché
la navicella non aveva ossigeno sufficiente per il viaggio di ritorno.
Il primo volo:
Il 12 aprile 1961 l'Unione Sovietica lanciò nello spazio la
navicella Vostok 1 con a bordo il primo cosmonauta, Yuri
Gagarin.
Il primo volo multi posto:
Il 12 ottobre 1964 l'Unione Sovietica lanciò nello spazio la prima navicella con più cosmonauti a
bordo, la Voskhod 1, che portò in orbita tre uomini.
La corsa allo spazio
Nel clima della guerra fredda, il lancio dello Sputnik 1 ha dato
origine alla cosiddetta corsa allo spazio, culminata nel luglio1969
con lo sbarco sulla Luna da parte di due astronauti dell'Apollo 11.
Nell'aprile 1971 i sovietici hanno lanciato nello spazio la prima
stazione spaziale abitata, la Saljut.
La corsa allo spazio ha avuto termine nel luglio 1975 con il Programma test Apollo-Sojuz, la prima
missione spaziale congiunta tra Stati Uniti e Unione Sovietica.
L'era dello Space Shuttle
Il primo lancio di uno Space Shuttle, il Columbia, venne
effettuato il 12 aprile 1981.
La Stazione spaziale internazionale
Il lancio del primo modulo della Stazione spaziale
internazionale venne effettuato il 20 novembre 1998.
Esplorazione di Marte
A partire dall'inizio degli anni sessanta, numerose sonde
spaziali senza equipaggio sono state lanciate verso Marte per
studiarne l'atmosfera e la geologia. Il Programma Aurora
dell'Agenzia Spaziale Europea prevede uno sbarco umano su
Marte nel 2030.
4) Fisica
Il motore a razzo, o più correttamente endoreattore, è un
motore a reazione, cioè sfrutta il principio di azione e
reazione per produrre una spinta e si distingue dagli altri
motori a reazione, o esoreattori, per la caratteristica di
immagazzinare il comburente in appositi serbatoi o già
miscelato con il combustibile. La maggior parte degli
endoreattori sono motori a combustione interna.
Il terzo principio della dinamica permette al missile di
produrre una spinta e afferma che:
Per ogni forza che un corpo A esercita su di un altro corpo
B, ne esiste istantaneamente un'altra uguale in modulo e
direzione, ma opposta in verso, causata dal corpo B che agisce sul corpo A.
Il terzo principio della dinamica è noto anche attraverso la formulazione originaria di Newton, "ad
ogni azione corrisponde sempre una uguale ed opposta reazione", dove il termine "azione" deve
essere inteso nell'accezione generale di forza.
Il terzo principio della dinamica in termini moderni implica che tutte le forze hanno origine
dall'interazione di diversi corpi; in base al terzo principio se solo un corpo singolo si trovasse nello
spazio, questo non potrebbe subire alcuna forza perché non vi sarebbe alcun corpo su cui la
corrispondente reazione possa essere esercitata.
4.1) Sistemi a energia primaria e secondaria
Il fenomeno propulsivo è diviso sostanzialmente in tre fasi, ognuna caratterizzata da notevoli
scambi energetici e termici.
L'energia primaria di un endoreattore è associata al serbatoio dei propellenti, qualsiasi essi siano. Si
possono avere:
- energia primaria di tipo chimico, associata al contenuto energetico del guscio degli elettroni che
circonda l'atomo di propellente: l'energia essenzialmente chimica viene trasformata in termica nella
camera di combustione. Si hanno propulsori a propellente liquido (LP), propellente solido (SP),
propellente ibrido (HP) o propellente gassoso (GP).
- Energia primaria di tipo nucleare, associata al nucleo atomico: si possono avere motori a
decadimento isotopico (utilizzati nelle sonde spaziali per generare potenza elettrica dove i pannelli
solari non sono utilizzabili), oppure motori a fissione nucleare (progetto americano NERVA, testato
a terra), fusione nucleare (sperimentato per tempi brevi solo in laboratorio).
- Energia primaria di tipo elettrico: si hanno motori a ioni, al plasma o ad arco/resistenza.
- Energia primaria di tipo radiante: la sorgente di energia è la radiazione solare (pannelli solari),
laser (vele solari) o microonde.
L'energia secondaria o trasformata è di due tipi: elettrica o termica.
Gli endoreattori a energia trasformata di tipo elettrico sono i cosiddetti endoreattori elettrici, in cui
l'energia è essenzialmente di tipo elettrico.
Gli endoreattori a energia trasformata di tipo termico sono i classici motori a razzo provvisti di una
camera di combustione in cui avvengono le reazioni chimiche per la produzione del gas che viene
poi accelerato tramite un ugello. I motori a energia primaria chimica sono tutti a energia secondaria
termica.
L'energia cinetica o utile, associata alla produzione della spinta:
L'energia cinetica è ottenuta per via termica mediante un ugello gasdinamico, che fa espandere un
gas ottenuto in camera di combustione o riscaldato mediante scambiatori in caso non esista la
camera di combustione (motori nucleari o eventualmente ad arco/resistenza). È il caso dei motori a
razzo a energia primaria chimica ed energia secondaria termica, come tutti i motori da lancio e gran
parte dei propulsori per manovre orbitali.
L'energia cinetica è ottenuta per via elettrica tramite un campo elettromagnetico con espulsione di
cariche elettriche a forti velocità, con meccanismi di neutralizzazione a fine ugello
elettromagnetico.
4.2) Sistemi di inseguimento
Il sistema di inseguimento individua l'obiettivo
del missile. Ciò può essere dato da una persona
che mira a vista sull'obiettivo (distante dal
missile) o un sistema (inseguitore) automatico.
Quest'ultimi usano la radiazione che emette
l'obiettivo. I sistemi automatici passivi usano la
radiazione inerente emessa direttamente
dall'obiettivo, solitamente calore o luce, ma i
missili destinati ad attaccare obiettivi
particolari, possono usare le onde radio. Gli
inseguitori automatici attivi puntano
sull'obiettivo che è illuminato dalla radiazione. L'obiettivo può essere individuato tramite una
rappresentazione con la luce (a volte infrarossi) o con onde radio (radar) che possono essere rilevate
dal missile. La radiazione che serve ad individuare l'obbiettivo può provenire dal missile stesso o da
una stazione a distanza (per esempio, una stazione su un colle può individuare un obiettivo con un
dispositivo laser e questo può essere usato per dirigere un missile guidato aereo).
Un sistema di guida prende i dati dai sistemi di inseguimento e di volo del missile e sviluppa un
percorso di volo destinato a intercettare l'obiettivo. Produce i comandi per il sistema di volo.
Il sistema di volo consente le manovre del missile. Ci sono due sistemi principali: spinta vettoriale
(per i missili che sono alimentati durante la fase di guida del loro volo) e manovramento
aerodinamico (ali, alettoni, ecc).
4.3) Propulsione elettrica
I razzi a propulsione chimica sono caratterizzati da
un’elevata spinta per brevi periodi ma i sistemi
elettrici sono stati creati per generare piccole spinte
per lunghi periodi di tempo, utili soprattutto in campo
aerospaziale. Questi sistemi, a causa della loro bassa
spinta, devono essere portati ad elevate altitudini da
razzi a propellente convenzionale. In orbita questi
sistemi operano a impulsi o continuativamente per
mesi o anni in caso di voli interplanetari. L’energia
elettrica richiesta per far funzionare tali motori viene
ottenuta convertendo l’energia solare o tramite un
reattore nucleare. Il più comune tra i sistemi elettrici è
il razzo a ioni. In questo sistema viene usato preferibilmente il campo elettrostatico a quello
elettromagnetico per accelerare particelle o ioni caricati positivamente di cesio metallico. L’impulso
specifico di tali propulsori varia tra i 5,000 e i 100,000 secondi.
Altri sistemi come la propulsione ad arco resistenza
utilizzano un arco elettrico per riscaldare il propellente
che viene espulso dall’ugello di scarico.
Gli Arcjet sono una tipologia di propulsori elettrici per
veicoli spaziali, in cui si genera una scarica elettrica o
"arco" in un flusso di propellente (idrazina in genere o
ammoniaca). Ciò conferisce ulteriore energia al
propellente, in modo che si possa estrarre più lavoro da
ogni kg di propellente, a spese del maggior consumo di
corrente e (solitamente) costo più elevato. I livelli di
spinta dei motori arcjet tipicamente utilizzati sono molto
bassi rispetto ai motori chimici. Quando l'energia elettrica
disponibile a bordo è sufficiente, un arcjet ben si adatta a mantenere la posizione del veicolo in
orbita e può sostituire i razzi monopropellenti.
5) Chimica
5.1) Endoreattori a propellente liquido
In questa classe di motori il liquido combustibile è contenuto in un
serbatoio e viene introdotto nella camera di combustione tramite degli
iniettori. I razzi a propellente liquido possono essere monopropellenti,
bipropellenti o tripropellenti a seconda del numero di propellenti
utilizzati. I razzi bipropellenti e tripropellenti utilizzano un
combustibile (cherosene, idrogeno, etanolo) e un comburente
(ossigeno liquido, perossido di idrogeno). I sistemi monopropellenti
dipendono dalla decomposizione esotermica di una sostanza, ad
esempio il perossido di idrogeno concentrato al 95%. Questi sistemi
hanno di solito performance minori rispetto quelli a propellente solido
ma garantiscono un maggiore controllo, la capacità di essere spenti e
riaccesi e una maggiore durata.
L'impiego dei propellenti liquidi è associato ad una certa quantità di
inconvenienti.
Poiché il propellente costituisce una parte molto grande della massa
del veicolo, il centro della massa si sposta in modo significativo verso
il retro del velivolo mentre viene consumato il propellente e quindi è
possibile perdere il controllo del velivolo. I propellenti liquidi sono soggetti a sciabordare all'interno
dei serbatoi. I propellenti necessitano spesso di propulsori che evitino il risucchio dei gas nei motore
durante l'accensione. Essi possono fuoriuscire, formando miscele esplosive. Le turbopompe sono
complesse da progettare, e possono soffrire di seri malfunzionamenti. I propellenti criogenici, come
l'ossigeno liquido, raffreddano il vapore acqueo atmosferico in cristalli di ghiaccio molto duri, che
possono danneggiare o bloccare i sigilli e le valvole, causando perdite e altri inconvenienti. Per
evitare questo problema sono richieste lente procedure di rimozione del vapore dal sistema. I razzi
tendono ad essere molto complessi, con un aumento delle possibilità di malfunzionamento e
richiedono molti preparativi prima del lancio, che li rende poco pratici rispetto a quelli a propellente
solido. Quando sono impiegati all'interno dell’atmosfera, deve essere mantenuta una
pressurizzazione positiva dei serbatoi, per evitare il loro collasso. Uno dei sistemi bipropellenti più
utilizzato sfrutta un particolare tipo di cherosene detto RP-1 come combustibile e l’ossigeno liquido
come comburente. I primi razzi bipropellenti utilizzati su larga scala furono i razzi V2 tedeschi che
utilizzavano l’etanolo come combustibile e l’ossigeno liquido o l’acqua ossigenata come
comburente.
Combustione etanolo:
CH3CH2OH(l) + 3O2(g) <-> 2CO2(g) + 3H2O(l)
5.2) Endoreattori a propellente solido
Il propellente solido presenta numerosi
vantaggi rispetto al propellente liquido ma
non garantisce lo stesso controllo e la stessa
durata. I razzi a propellente solido costano
di meno, sprigionano una spinta maggiore e
la possibilità di essere immagazzinati per
lunghi periodi li rende più pratici in ambito
militare. Tutto il propellente è contenuto
nella camera di combustione alla quale è
attaccato l’ugello. Un interruttore elettrico
accende il propellente direttamente grazie
ad una resistenza che, diventando
incandescente al passaggio di corrente,
provoca la combustione del propellente.
Un razzo a combustibile solido è costituito
da un involucro, un ugello, una carica di
propellente e un sistema di accensione. Il propellente è in forma di granuli e si comportano assieme
come una massa solida bruciando in modo prevedibile producendo gas di scarico. Le dimensioni
dell'ugello sono calcolate in modo tale per mantenere una data pressione e produrre spinta dai gas di
scarico. Una volta acceso, un propulsore semplice a combustibile solido non può essere spento,
poiché contiene tutti gli elementi necessari per la combustione all'interno della camera di
combustione. Tuttavia, i progetti più moderni possono essere spenti e riaccesi, oltre a permettere la
modifica della spinta prodotta tramite il controllo della geometria dell'ugello oppure tramite delle
bocchette di aerazione. Inoltre alcuni motori a razzo possono bruciare il combustibile in segmenti
tramite comandi.
La geometria e la chimica dei granuli sono scelti in seguito per soddisfare le caratteristiche
richieste.
Le variabili sono calcolate considerando i seguenti vincoli:
1) I granuli bruciano ad un tasso prevedibile, conoscendo la loro superficie e la pressione della
camera di combustione.
2) La pressione della camera è determinata dal diametro dell'ugello e dal tasso di combustione dei
granuli.
3) Il tipo di involucro determina i valori di pressione della camera.
le caratteristiche dei granuli determinano anche la lunghezza del tempo di combustione.
Le cause principali di malfunzionamento nei motori a razzo a combustibile solido comprendono la
frammentazione dei granuli, la rottura del legante o la formazione di sacche d'aria. Questi fenomeni
possono produrre un aumento istantaneo della superficie di combustione e ad un corrispondente
aumento dei gas di scarico e della pressione, che possono indurre il cedimento dell'involucro. In
genere un altro motivo di incidenti e causato dal progetto dei sigilli dell'involucro. Essi sono
richiesti nel caso di razzi che devono essere aperti per inserire il propellente. Quando cede un
sigillo, i gas caldi fuoriescono dal punto di rottura ed erodono l'involucro. Questo fenomeno è
avvenuto in uno dei Solid Rocket Boosters dello Space Shuttle Challenger e ha causato un incidente
che ha disintegrato il velivolo nel 1986.
5.3) Endoreattori a propellente ibrido
Un razzo a propellenti ibridi è un endoreattore con un motore che impiega propellenti in diversi stati
della materia, uno in forma solida e l'altro in forma gassosa o liquida.
I razzi ibridi possiedono alcuni vantaggi sia nei confronti dei razzi a propellente liquido che di
quelli a propellente solido in termini di semplicità, sicurezza e costi. Poiché è quasi impossibile il
mescolamento del combustibile e dell'ossidante (essendo in diversi stati della materia), questi razzi
tendono ad avere malfunzionamenti meno critici. Come i razzi a propellente liquido possono essere
spenti facilmente e la spinta può essere modulata in modo semplice. L'impulso specifico teorico è
generalmente superiore a quelli a propellente solido ed è approssimativamente equivalente ai razzi a
propellente liquido che impiegano idrocarburi. Con alcuni combustibili metallici si sono misurati
impulsi fino a 400 secondi. I sistemi ibridi sono leggermente più complessi dei razzi solidi, ma i
maggiori rischi nel processo di fabbricazione, trasporto e gestione dei propellenti solidi bilanciano
la maggiore semplicità di questo tipo di motori. Nella sua forma più semplice, un razzo ibrido è
composto da un contenitore a pressione contenente il propellente liquido, una camera di
combustione contenente il propellente solido e una valvola che li isola. Quando si accende, viene
introdotta una fonte di accensione adatta nella camera di combustione e viene aperta la valvola. Il
propellente liquido o il gas fluisce nella camera dove viene vaporizzato e reagisce con il propellente
solido. La combustione avviene in una zona sullo strato nei pressi della superficie del propellente
solido. Generalmente il propellente liquido è l'ossidante, mentre quello solido è il combustibile,
poiché gli ossidanti solidi sono problematici e hanno prestazioni inferiori rispetto a quelli liquidi.
Gli ossidanti più comuni includono ossigeno o ossido d'azoto in forma liquida o gassosa. I
combustibili più impiegati comprendono anche polimeri, come il polietilene, HTPB o in forma
liquida come la paraffina. I razzi ibridi mostrano alcuni vantaggi evidenti, ed altri più sottili, rispetto
ai razzi solidi o liquidi.
Essi sono meccanicamente più semplici rispetto a quelli a liquido perché richiedono un singolo
propellente liquido con minori sistemi idraulici, minori valvole ed operazioni più semplici. I
combustibili solidi sono generalmente più densi rispetto a quelli liquidi, inoltre è possibile
aggiungere nei grani di combustibile degli additivi metallici ad alta energia che permettono di
aumentare l’impulso specifico. Tale aggiunta garantisce un vantaggio in termini di impulso
specifico rispetto ai propellenti solidi. Il propellente solido nei razzi ibridi necessita di un
comburente per bruciare e quindi tende meno a esplodere rispetto ai propellenti solidi che
contengono entrambi. La modulabilità del comburente permette di spegnere, e controllare la spinta
in ogni momento.
Generalmente, i razzi ibridi ben progettati e costruiti con attenzione sono molto sicuri. I rischi
principali associati con questi tipi di vettori sono:
1) Cedimento dell'involucro: Il cedimento dell'isolamento dell'involucro potrebbe permettere ai gas
caldi di fuoriuscire dalla parete, comportando la formazione di un foro che successivamente causa il
cedimento della struttura.
2) Ritorno di fiamma: Gli ossidanti che si decompongono esotermicamente come l'ossido d'azoto o
il perossido d'idrogeno, possono causare il ritorno di fiamma dalla camera di combustione verso
l'iniettore, accendendo l'ossidante e provocando l'esplosione del serbatoio. Il ritorno di fiamma
avviene perché nei periodi di combustione instabile è possibile che il calo di pressione attraverso gli
iniettori sia insufficiente. Questo fenomeno è specifico di alcuni ossidanti; in altri tipi di ossidanti,
come l'ossigeno e il tetrossido di azoto non avviene, a meno che nel serbatoio non sia presente
anche combustibile.
3) Hard start: Questo fenomeno è causato da un eccesso di ossidante nella camera di combustione,
precedente all'accensione. Avviene in particolar modo nei monopropellenti come l'ossido d'azoto, e
può provocare un temporaneo eccesso di pressione con il cedimento del motore.
Poiché il combustibile non contiene un ossidante, non può incendiarsi. Per questa ragione, i razzi
ibridi sono classificati come dispositivi senza potenza esplosiva. Al contrario, i razzi a propellente
solido hanno spesso un potere esplosivo, misurato in TNT equivalente, proporzionale alla massa dei
grani di propellente. I razzi a propellenti liquidi una potenza esplosiva calcolata in base alla quantità
di combustibile ed ossidante che possono accumularsi nella camera di combustione prima di
esplodere. Poiché le combinazioni ossidante/comburente impiegati nei razzi a combustibile liquido
contengono spesso più energia per unità di massa del TNT, il valore equivalente di TNT è calcolato
moltiplicando la massa dei propellenti nella camera di combustione per la densità di energia.
In Italia uno dei centri all'avanguardia per la ricerca nell'ambito dei propulsori a propellenti ibridi è
il CISAS (Centro Interdipartimentale Studi e Attività Spaziali) "G. Colombo" dell'Università di
Padova. Le attività svolte ricoprono tutte le fasi dello sviluppo dei propulsori: dall'analisi teorica del
processo di combustione alla simulazione numerica mediante codici CFD, dalla conduzione di test
al banco su endoreattori in scala ridotta fino a prove sperimentali in larga scala (test condotti fino a
20 kN di spinta su motori a N2O-Paraffina). Un esemplare di questi propulsori ha volato con
successo nel 2009.
6) Scienze della terra
Il cracking in chimica è un processo attraverso il quale si ottengono idrocarburi paraffinici leggeri
per rottura delle molecole di idrocarburi paraffinici pesanti.
È pertanto un processo adottato per la produzione di idrocarburi leggeri, quali le benzine, a partire
da greggi medio - pesanti e pesanti, aumentando la quantità di benzina ottenibile dal petrolio
greggio.
La reazione di cracking si ottiene per via catalitica o termica (steam cracking) e il risultato della
reazione dipende fortemente dalle condizioni in cui la reazione avviene e dalla presenza o meno di
catalizzatori.
6.1) Hydrocracking
L’hydrocracking (cracking in presenza di
idrogeno) è un processo mediante il quale si
ottiene la conversione degli oli pesanti in
frazioni più leggere, soprattutto per mezzo di
reazioni di saturazione dei composti
aromatici, di cracking e di isomerizzazione in
presenza di idrogeno. È uno dei due
principali processi di conversione usati nella
moderna industria di raffinazione. L’altro
importante processo è il FCC (Fluid Catalytic
Cracking); quest’ultimo vien impiegato
principalmente per produrre benzina, mentre
l’hydrocracking svolge un ruolo più versatile,
adattandosi alla produzione di distillati medi e viene largamente adottato per la sua capacità di
fornire prodotti di qualità superiore come i distillati medi pregiati. È il metodo principale per la
produzione di cherosene e il suo derivato RP-1 (uno dei più comuni propellenti liquidi per razzi).
6.2) Steam cracking
È il principale metodo di produzione degli alcheni leggeri, tra cui l'etilene e il propilene. Si tratta di
un processo di pirolisi.
La composizione della miscela ottenuta
dipende dalla composizione della miscela
in ingresso, dalla temperatura e dal tempo
di lavorazione. Miscele leggere (GPL e
nafte leggere) danno miscele ricche di
olefine leggere, etilene, propilene e
butadiene; miscele più pesanti danno un
prodotto più ricco in idrocarburi aromatici.
Più drastiche sono le condizioni di
processo, più il prodotto è ricco di
composti leggeri, quali etilene e benzene;
condizioni meno drastiche portano a
quantità maggiori di idrocarburi a 4 atomi
di carbonio e composti liquidi.
7) Inglese
7.1) Oscar Wilde
Oscar Wilde (1854-1900) è stato un poeta, aforista,
scrittore, drammaturgo, giornalista e saggista irlandese.
Autore dalla scrittura apparentemente semplice e
spontanea, ma sostanzialmente molto ricercata ed
incline alla ricerca del bon mot, con uno stile talora
sferzante e impertinente egli voleva risvegliare
l'attenzione dei suoi lettori e invitarli alla riflessione.
È noto soprattutto per l'uso frequente di aforismi e
paradossi, per i quali è tuttora spesso citato.
Wilde adotta la filosofia di vita dalle teorie
sull’Estetismo di Walter Pater, il quale sosteneva che il senso della vita fosse da ricercare nella
bellezza e nella sua forma raffinata: l’arte. Il motto dei seguaci dell’Estetismo è “L’arte per il
piacere di fare l’arte” (art for art's sake). Fu un personaggio molto in vista, l’esponente principale
dell’estetismo inglese, come Baudelaire lo fu per la Francia e d’Annunzio per l’Italia.
7.2) The Happy Prince and Other Tales
Oltre alle più famose opere Wilde scrisse alcune fiabe, pubblicate in una raccolta nel 1888. Tale
raccolta, The Happy Prince and Other Tales, contiene cinque favole, che l'autore scrisse per i figli,
tutte a sfondo educativo, nelle intenzioni di Wilde, che allude sottilmente alle contraddizioni della
morale borghese di epoca vittoriana.
I racconti sono:
Il principe felice, L'usignolo e la rosa, Il gigante egoista, L'amico devoto e Il razzo eccezionale.
The remarkable rocket, l’ultimo racconto della raccolta narra che durante la
festa di nozze del figlio del re, dopo il banchetto, le danze e gli intrattenimenti
vari, era previsto uno spettacolo pirotecnico al quale avrebbe preso parte un
razzo molto particolare. Nell’attesa di essere sparati, i fuochi artificiali
amavano parlare tra di loro. Il razzo eccezionale invece preferiva vantarsi
delle sue grandi qualità, e credeva di essere il pezzo forte della serata.
Tuttavia, per ostentare le proprie virtù e la propria sensibilità, si mise a
piangere davanti agli "esplosivi" compagni. Fu così che il razzo fu il solo a
non prendere fuoco poiché era così umido che non si accese.
Il giorno dopo fu buttato in un laghetto, e qui venne raccolto da due ragazzini
che lo scambiarono per un semplicissimo bastone, mentre il razzo continuava
a pensare che stessero aspettando l'occasione più solenne per spiegarne tutta
la pirotecnica magnificenza. I ragazzi decisero di metterlo al fuoco e,
aspettando che la fiamma prendesse vita, si addormentarono. Siccome era ancora molto umido il
razzo non partì subito e ci volle del tempo prima che bruciasse. Quando prese fuoco partì e diede
vita ad un incredibile spettacolo pirotecnico, che nessuno riuscì a vedere.
8) Bibliografia e sitografia:
Storia controversa della seconda guerra mondiale. (istituto geografico de Agostini Novara) V5 (P.
373)
The New Enciclopædia Britannica V29 (P. 570)
La seconda guerra mondiale (Cartier) P. 660
The New Enciclopædia Britannica Endoreattori elettrici V18 (P. 485)
Corso di propulsione aerospaziale Università di Roma “La sapienza”
The New Enciclopædia Britannica Propellente solido/liquido/ibrido V18 (P. 490)
The New Enciclopædia Britannica V18 Hydrocracking (P. 490)
The New Enciclopædia Britannica V18 Cherosene (p. 488)
http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_a_razzo
http://it.wikipedia.org/wiki/Razzo_a_propellente_liquido
http://it.wikipedia.org/wiki/Razzo_a_propellenti_ibridi
http://it.wikipedia.org/wiki/Oscar_Wilde