Che cosa è un razzo ad acqua

Educazione tecnica: Trasformazione dell’energia
Esperti DECS-UIM
Che cosa è un razzo ad acqua
Unità didattica classi seconde
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articolo a cura del signor Thomas Mazzi
Un razzo ad acqua è un sistema che genera una spinta tramite la reazione dell'acqua che
fuoriesce ad alta velocità da un serbatoio contenente acqua e aria compressa.
Come funziona
L'acqua è contenuta in un serbatoio insieme all'aria compressa, le quantità in volume sono
circa 1/3 di acqua e 2/3 di aria. Per generare la spinta, l'acqua fuoriesce da un foro o meglio
da un ugello a spese della pressione dell'aria, quindi mano a mano che l'acqua lascia il
serbatoio l'aria si espande perdendo pressione. L'acqua acquista velocità passando da circa
0m/s del serbatoio a qualche decina di m/s all'uscita dell'ugello. La massa d' acqua spinta ad
alta velocità genera una spinta (terza legge di Newton); è questa reazione che spinge il razzo
in avanti. Terminata l'acqua, all'interno del serbatoio rimane dell'aria compressa che
fuoriesce ad altissima velocità dall'ugello generando una ulteriore spinta. La spinta dell'aria è
molto inferiore a quella generata dall'acqua, ma comunque non è trascurabile.
Le parti che compongono un razzo
Serbatoio
Il serbatoio costituisce una delle due parti fondamentali di un razzo, il suo compito è quello
di contenere l'acqua e l'aria compressa. Molto spesso il serbatoio ha un duplice compito,
contiene il propellente per la propulsione e contemporaneamente costituisce il corpo del
razzo, ovvero la struttura cilindrica portante.
Il corpo
Il corpo è la struttura portante del razzo, solitamente questa funzione è svolta dal serbatoio.
Alle volte, causa la sua forma, il serbatoio non può assolvere al compito di corpo del razzo
che viene svolto da una struttura cilindrica rigida posta all'esterno del serbatoio. Alle volte si
utilizzano serbatoi elastici, privi di una forma ben definita, che prendono posto all'interno del
corpo rigido. Questi sono come palloni pieni di acqua ed aria alloggiati in strutture rigide
dalla forma di razzo (camere d'aria), questa soluzione si usa quando si vogliono ottenere alte
pressioni di esercizio.
L'ugello
L'ugello è solitamente collegato direttamente al serbatoio senza l'utilizzo di tubi o condotti e
costituisce la parte principale del razzo. E' grazie all'ugello che la pressione dell'acqua si
trasforma in velocità; senza velocità del flusso non si ha spinta, quindi è molto importante
cercare di massimizzare il rendimento dell'ugello. Questo è formato da una parte conica
iniziale che aiuta l'acqua ad incanalarsi e da una parte cilindrica che accelera l'acqua prima di
lasciarla uscire dal razzo. I materiali solitamente usati sono l'alluminio o più raramente
l'acciaio, con il primo si ottengono ugelli porosi ma non ossidabili (fluido più lento), con il
secondo si ottengono ugelli molto più lisci ma facilmente ossidabili quindi in seguito più
rugosi causa la ruggine formatasi sulle pareti.
Per migliorare il rendimento dell'ugello, lo si svasa leggermente nella parte finale. Questa
svasatur a favorisce il distacco dell'acqua aumentando considerevolmente la spinta.
La paletta antivortice
Causa la veloce fuoriuscita dell'acqua, nel serbatoio si formano vortici di grossa intensità che
possono arrivare fino in prossimità dell'ugello e alle volte oltrepassarlo formando un vero e
proprio condotto tra la parte di serbatoio contenente l'aria compressa e l'esterno, causando
una grossa diminuzione di pressione nel razzo e spaccando il flusso in uscita rendendolo
disordinato e poco efficiente. La paletta antivortice viene inserita nel serbatoio in prossimità
dell'ugello e previene la formazione dei vortici aumentando considerevolmente l'efficienza
del sistema.
Questa si compone di una linguetta con il lato frastagliato fissata sulle pareti del razzo o più
semplicemente all'ugello.
Le pinne
Le pinne sono una parte del razzo molto importante. Raramente si riesce a costruire un razzo
dalla forma auto-stabile, molto di frequente i razzi assomigliano a tubi affusolati che hanno
un centro di gravità posto vicino all'ugello e un centro di pressione posto a metà del corpo
(condizione d'instabilità ). Le pinne svolgono il compito di spostare il centro di pressione
sotto al centro di gravità rendendo il razzo stabile. Di pinne ne esistono varie tipologie:
esistono pinne a forma di triangolo o rettangolo montate ortogonalmente sulla parte inferiore
del corpo del razzo, oppure vi sono pinne cilindriche montate sotto la parte inferiore del
razzo unite al corpo tramite due longheroni. Le prime sono scarsamente efficienti, ma hanno
il vantaggio di non essere a contatto con le gocce dell'acqua uscenti, le seconde sono molto
più efficienti (oltre il doppio) ma la loro posizione rende problematico il montaggio,
l'installazione sulla rampa e i materiali usati per la loro costruzione devono essere resistenti
all'acqua. Il vantaggio delle pinne cilindriche consiste nella loro straordinaria efficienza; si
deve considerare che più la pinna è efficiente meno attrito fa all'aria, in oltre la loro
posizione sposta notevolmente il centro di pressione sotto al centro di gravità rendendo il
razzo molto stabile.
La capsula
Un razzo non è costruito al solo scopo di volare, ma frequentemente è finalizzato al trasporto
di oggetti: strumenti scientifici di misura, telecamere, macchine fotografiche, ... . Questi
strumenti sono alloggiati dentro una camera ricavata sulla parte superiore del razzo detta
capsula. Questa si ottiene prolungando il corpo del razzo al disopra del serbatoio. Oltre alla
capsula porta strumenti, vi è di solito una seconda capsula alloggiata sopra la capsula porta
strumenti che contiene il sistema di rientro.
Sistemi di rientro: I sistemi di rientro sono molteplici e molto differenti tra loro ma tutti
hanno un unico scopo, far atterrare il razzo e gli strumenti integri in un tempo utile affinché
il vento non trascini via il razzo.
I sistemi di rientro
I sistemi di rientro più utilizzati sono: il paracadute, la stringa, la punta elastica, la variazione
di stabilità e il glider.
Il paracadute
Il paracadute viene alloggiato nella capsula porta paracadute posta sopra la capsula porta
strumenti e bloccato superiormente dalla punta. La punta consiste in un "tappo" profilato
all'aria che viene espulso in prossimità dell'apogeo, il concetto di funzionamento si basa sulla
differenza di attrito che esercita la punta e il corpo del razzo. Durante il take-off la punta
rimane aderente al corpo del razzo a causa dell'aria, ma durante il ribaltamento l'aria
lambisce lateralmente il razzo e la punta che non essendo vincolata al razzo lateralmente,
vola via. Legato alla punta c'è il paracadute, ovvero un velo a forma di calotta o più
semplicemente un fazzoletto con dei tiranti. Durante l'espulsione, la punta trascina fuori il
paracadute che a contatto con il vento generato dal rientro verso terra si spiega e si apre
frenando bruscamente il razzo. è quindi importante che il sistema sia resistente e che la corda
sia leggermente elastica al fine di ammortizzare la forte decelerazione. Per consentire al
paracadute di uscire senza annodarsi su se stesso, è consigliabile una piegatura ordinata,
inoltre è importante che il pacchetto costituito dal paracadute e corde sia avvolto molto
stretto affinché non faccia attrito sulle pareti della capsula che potrebbe ostacolare la
fuoriuscita del velo. Per migliorare ulteriormente la fuoriuscita del paracadute, si consiglia di
cospargere il velo e la capsula di talco e di utilizzare tessuti auto-lubrificanti come la seta.
La stringa
La stringa funziona su una struttura identica a quella usata dal paracadute, l'unica differenza
consiste nella forma del velo e dei tiranti. Essa è composta da un fettuccia molto lunga e
stretta di tessuto che viene tenuta arrotolata dentro la capsula. Quando il razzo raggiunge
l'apogeo la punta viene espulsa trascinando all'esterno la fettuccia che a causa del vento e del
suo peso si srotola rimanendo attaccata alla punta con un filo. l'attrito a cui è soggetta la
stringa è inferiore rispetto a quello del paracadute, ma si deve considerare il fatto che la
stringa può essere molto più gr ande del paracadute e soprattutto molto più semplice da
espellere e srotolare. Queste caratteristiche fanno della stringa un ottimo sistema di rientro
competitivo con il paracadute, anche se alla fine il rientro con la stringa è sempre più veloce
di quello con il paracadute. Un altro vantaggio della stringa consiste in una maggior
difficoltà nell'arrotolarsi sui rami degli alberi; alle volte il vento o la traiettoria porta il razzo
in mezzo ai rami degli alberi ed il paracadute rimane impigliato mentre la stringa scivola via
più facilmente.
La punta elastica
Per ottenere ottime prestazioni di lancio è importante avere un razzo ben profilato e dotato di
una struttura stabile e poco soggetta al vento. Sia il paracadute che la stringa necessitano di
una punta sganciabile che alle volte può creare problemi durante il take off a causa della
forte velocità e accelerazione raggiunta. In oltre tale punta è, molto spesso, poco profilata al
all'aria e tende a frenare il razzo. Per ovviare a tali problemi e mantenere un peso del razzo
molto contenuto si usa la punta elastica. Si tratta di una punta fissata sulla parte superiore del
razzo che gli permette di atterrare smorzando l'urto con il terreno. Solitamente sono costruite
con materiale deformabile, elastico e leggero come gomma piuma oppure con palloni
scarsamente riempiti di aria ed inseriti in una struttura più rigida che scorre come un
ammortizzatore sul corpo del razzo.
La variazione di stabilità
Il sistema di rientro basato su variazione di stabilità è poco utilizzato, sia per la difficoltà
costruttiva sia per la scarsa efficienza frenante. Il sistema si basa sulla possibilità di cambiare
la posizione del centro di gravità rispetto a quella del centro di pressione rendendo il razzo
altamente instabile e poco aerodinamicamente penetrante permettendo al razzo di frenare la
caduta e di atterrare lateralmente dove la sua resistenza all'urto è maggiore.
Glider
Il glider è sostanzialmente un razzo dotato di ali portanti. Raggiunto l'apogeo il razzo si
trasforma in aliante e plana dolcemente fino a terra. Questo tipo di sistema è molto efficace
ma la sua realizzazione è difficoltosa. Il razzo ha centri di gravità e di pressione differenti da
quegli dell'aliante, quindi al raggiungimento dell'apogeo il razzo cambia la posizione del
proprio baricentro spostandolo indietro cosi da rendere stabile il volo. Molto di frequente
questo cambiamento viene eseguito muovendo masse dalla punta del razzo alla parte
posteriore.
I sistemi multi-stage
I sistemi multi-stage sono vari, ma solo uno viene normalmente utilizzato visto il suo ottimo
funzionamento e la facilità costruttiva. Il suo funzionamento si basa sull'utilizzo di un
palloncino che si gonfia con l'aria compressa presente nel serbatoio. Gonfiandosi si dilata ed
appoggia sulle pareti dell'ugello del secondo razzo tappando l'ugello e trattenendo il razzo.
Quando il primo razzo si svuota di tutta l'acqua e l'aria, il palloncino si sgonfia contraendosi,
rilasciando il secondo razzo.
Con questo sistema il gonfiaggio avviene in tempi separati e con sistemi differenti sui due
razzi, solitamente si intrappolano i due razzi si inizia con gonfiare quello sottostante al fine
di bloccare il secondo, in seguito si gonfia il secondo tramite una valvola ausiliaria.
Esiste anche una versione più complicata che si basa sullo stesso concetto, ma permette
tramite un gioco di valvole e e tubi di poter gonfiare entrambi i razzi contemporaneamente,
semplificando l'operazione di pressurizzazione. In sintesi viene posta una valvola di non
ritorno che collega i due razzi, solitamente la valvola viene resa coassiale a palloncino al fine
di evitare problemi durante lo sgancio.
La rampa di lancio
La rampa di lancio è la parte più importante del sistema. è grazie a questa che si possono
svolgere le operazioni di gonfiaggio e sgancio del missile. La rampa di lancio si compone di
4 parti fondamentali: il traliccio, il meccanismo si sgancio, il circuito di alta pressione e la
rotaia.
Il traliccio
Il traliccio è la trave portante che deve reggere il peso di tutto il razzo, la spinta del decollo e
il brusco strappo del meccanismo di sgancio. Il problema che si deve superare costruendo un
buon traliccio consiste nel costruirlo robusto e rigido, affinché durante il take off la rampa
non perturbi il volo del missile. Durante il lancio il traliccio tende a piegarsi sotto l'effetto
del peso, per ovviare al problema si possono usare tiranti laterali che aumentano la rigidità
del sistema. Di tralicci ne esistono una infinità i più comuni sono: quello tubolare e quello
piatto. Quello tubolare permette di lanciare qualunque tipo di razzo, essenzialmente è un
tubo perpendicolare al terreno sul quale si appoggia il razzo. Vista la sua forma può ospitare
anche razzi con pinne molto pronunciate all'indietro tipo quelle cilindriche. Quello piatto
invece è molto più stabile e direttivo, ma causa la sua grande larghezza non permette di
lanciare razzi con pinne cilindriche.
Il meccanismo di sgancio
Il meccanismo di sgancio è molto importante, permette al razzo di rimanere agganciato alla
rampa durante la fase di gonfiaggio, aiuta il sistema di alta pressione a rimanere a tenuta con
l'ugello del razzo e permette di decidere il momento buono di sgancio (condizione con vento
a raffiche o passaggio in quel istante di persone, macchine o altro). Di sistemi di sgancio ne
esistono tantissimi tipi, quasi tutti basati su spolette o frizioni che tengono il razzo vincolato
fino alla loro estrazione o apertura.
Il circuito di alta pressione
Il circuito di alta pressione permette alla pompa di trasferire la pressione dentro al serbatoio
del razzo. Solitamente il sistema si basa su un tubo rigido che viene infilato nell'ugello del
razzo ed è collegato tramite un tubo ed una valvola di non ritorno alla pompa. In prossimità
del punto di contatto tra il tubo e l'ugello è buona regola inserire una guarnizione che eviti
fuoriuscite di acqua e aria durante il pompaggio.
La rotaia
La rotaia ha un compito molto importante: guida il razzo nella direzione voluta fino a
quando non raggiunge la velocità di stabilità. A basse velocità il razzo non è stabile, l'aria
che colpisce le superfici e le pinne è troppo lenta per attuare la correzione di direzione,
quindi il razzo si sbilancia e nel frattempo acquista velocità che lo manterrà stabile su questa
nuova direzione, ma questa traiettoria non concorda quasi mai con quella desiderata. La
rotaia è composta da un'asta, sul razzo è presente una o due anelli che scorrono sulla rotaia e
tengono il razzo in guida per 1m circa, ovvero fino a che non abbia raggiunto la velocità di
stabilità.
Le fasi di un lancio
Fase di SETUP
Il lancio di un razzo ad acqua si compone di varie fasi, la prima è ovviamente il montaggio
della rampa che deve essere rigida e solidale al terreno. Solitamente la rampa si monta
verticale anche se a seconda dei lanci che si vogliono compiere si può montare a varie
angolazioni. Fissata la rampa si passa alla taratura del meccanismo di sgancio, che deve
essere sempre ben tarato al fine di poter trattenere il razzo nei giusti punti e permettere
all'ugello di aderire perfettamente al circuito di alta pressione al fine di non perdere acqua e
aria durante il gonfiaggio. In fine bisogna arrotolare il paracadute stretto stretto e inserirlo
nella capsula con relativa punta per la chiusura. Si procede all'inserimento dell'acqua nel
razzo e lo si pone sulla rampa vincolandolo al meccanismo di sgancio e poi inizia il
gonfiaggio tenendo sempre in vista il manometro della pressione al fine di non sforare la
pressione massima. A questo punto si svincola il razzo dalla rampa e ci si gode il lancio!!!
Fase di BURN IN
Durante la partenza il razzo inizia ad espellere acqua dall'ugello e scorrendo sulla rotaia
prende velocità. Finita la rotaia il razzo continua a spingere e ad aumentare la sua velocità ...
ad un certo momento l' acqua all'interno del serbatoio finisce ma il razzo continua ad
accelerare causa l'aria compressa rimasta nel serbatoio. Questa è la fase attiva del volo del
razzo, in questa fase si trasforma l'energia dell'aria compressa in energia cinetica del razzo.
Fase di FREE-FLY
Finita la fase di burn in il razzo prosegue la corsa ma la sua velocità è in diminuzione a causa
della forza di gravità che lo richiama verso la terra e della forza di attrito all'aria (drag) che
cerca di frenarlo. Il razzo prosegue il suo cammino fino a quando la sua velocità è uguale a
zero.
Fase di APOGEO
Quando la velocità verticale del razzo è nulla si dice che il razzo ha raggiunto l'APOGEO,
ovvero il punto più alto. In questo brevissimo istante inizia la ricaduta del razzo perché
attratto dalla forza di gravità. Durante le prime fasi della ricaduta il razzo si ribalta puntando
verso terra, solitamente è in questa fase che il razzo attua le operazioni rientro attivando i
propri sistemi di rientro (paracadute, stringa, ecc...)
Fase di RIENTRO
Quando il razzo inizia a cadere verso terra, inizia la fase di rientro. Durante questa fase il
razzo prende velocità poi cade di moto rettilineo uniforme perché trova il bilanciamento
giusto tra forza di drag e la forza di gravità. I sistemi di rientro cercano di aumentare la forza
di drag al fine di diminuire la velocità di rientro ed evitare rotture della struttura.
Fase di ATTERRAGGIO
La fase di atterraggio è la parte conclusiva del volo, inizia al momento in cui il razzo tocca
terra e finisce nel momento i cui il razzo entra nella fase di quiete. Se la velocità di rientro è
troppo elevata, la fase di atterraggio si trasforma in un urto violento, perché è in questo
istante che si creano i danni alla struttura.
Fase di RECUPERO
La fase di recupero avviene alla fine del lancio. Finito tutto bisogna andare a recuperare il
razzo, alle volte questa fase può risultare molto complicata, soprattutto quando il razzo
rimane impigliato sui rami di un albero.
La dinamica del volo
La dinamica del volo spiega come gli oggetti possano staccarsi dal suolo e librarsi in volo
contrastando la forza di gravità. Esistono varie tipologie di volo: quello classico con l'ausilio
di ali, quello balistico e quello di potenza. Alla prima categoria appartengono i velivoli in
generale, come aerei, elicotteri (ali rotanti), deltaplani, parapendii mentre proiettili, frecce,
dardi e paracaduti appartengono alla seconda. Nella terza categoria troviamo i razzi ed alcuni
aerei sperimentali ovvero oggetti in grado di volare grazie alla spinta verticale generata dal
motore.
Il razzo non è fatto per sfruttare la portanza alare, infatti privato della spinta del motore non
riesce a planare ma entra in caduta libera, è grazie al motore che riesce a superare la forza
del campo gravitazionale ed alzarsi in volo.
Il razzo può volare sia verticalmente che orizzontalmente, ma nel volo orizzontale il corpo
del razzo non è parallelo al suolo, ma inclinato di qualche grado, questo angolo si chiama
angolo di attacco. Più il motore è potente più piccolo è l'angolo di attacco. Un generico razzo
ad acqua viaggia con pochi gradi di angolo di attacco.
Per poter sfruttare a pieno la spinta del motore ed alzarsi in volo, il razzo necessita di
stabilità. Privato della stabilità il razzo diventa incontrollabile e molta dell'energia erogata
dal motore viene dispersa ed ostacola il volo del razzo. La stabilità viene raggiunta agendo
su due grandezze principali, il centro di gravità ed il centro di pressione.
Il centro di gravità è il punto attorno al quale il razzo può ruotare ovvero coincide con il
baricentro della struttura. Un volta alzatosi in volo, la struttura del razzo potrà ruotare solo
attorno al proprio baricentro quindi questo punto funzionerà come un perno virtuale. Durante
il volo, le superfici del razzo sono lambite dall'aria, le particelle d'aria scorrono in senso
contrario al moto del razzo come un vento, infatti questo scorrimento si chiama vento
relativo. L'aria che lambisce le superfici antecedenti il baricentro tende a rendere instabile il
volo, mentre quelle che colpiscono il razzo sulla parte posteriore al baricentro tendono a
stabilizzarlo. Ecco perché le pinne sono sempre poste sulla parte inferiore del razzo. La
somma di tutte le spinte che agiscono sulle pareti del razzo sono semplificabili in un unica
spinta che agisce su un punto chiamato centro di pressione. Se il centro di pressione è sopra
al centro di gravità il razzo sarà instabile, se coincidono sarà neutro ma se il centro di
pressione è sotto al centro di gravità il razzo sarà stabile. Il massimo della stabilità si ha
quando il centro di gravità coincide con la punta del razzo e il centro di pressione con la
coda. Per cercare di arrivare alla massima stabilità si ricorre a degli artifizi costruttivi, si
cerca di mettere tutto il peso di strumenti, paracaduti, ecc. in punta mentre si cerca di
aumentare la superficie posteriore al baricentro utilizzando pinne con grossa superficie o
molto retratte, come nel caso di quelle cilindriche.
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