Motori a reazione

Tipi di motori a reazione

Artwork: Un riassunto dei sei principali tipi di motori a reazione. Ognuno di essi è spiegato ulteriormente nel testo sottostante, seguito da un link a un eccellente sito web della NASA dove troverete ancora più grafici e animazioni.

Tutti i motori a reazione e le turbine a gas funzionano più o meno nello stesso modo (tirando l’aria attraverso un ingresso, comprimendola, bruciandola con il carburante, e permettendo allo scarico di espandersi attraverso una turbina), quindi tutti condividono cinque componenti chiave: un ingresso, un compressore, una camera di combustione e una turbina (disposti esattamente in quella sequenza) con un albero di trasmissione che li attraversa.

Ma qui le somiglianze finiscono. Diversi tipi di motori hanno componenti extra (guidati dalla turbina), gli ingressi funzionano in modo indifferente, ci può essere più di una camera di combustione, ci possono essere due o più compressori e più turbine. E l’applicazione (il lavoro che il motore deve fare) è anche molto importante.I motori aerospaziali sono progettati attraverso il compromesso meticolosamente engineered: hanno bisogno di produrre la massima potenza dal carburante minimo (con efficienza massima, in altre parole) pur essendo il più piccolo, leggero e silenzioso possibile. Le turbine a gas usate a terra (per esempio, nelle centrali elettriche) non devono necessariamente scendere a compromessi nello stesso modo; non hanno bisogno di essere piccole o leggere, anche se sicuramente hanno ancora bisogno della massima potenza ed efficienza.

Turbojet

Foto: I primi motori a turbogetto su un Boeing B-52A Stratofortress, nella foto del 1954.Il B-52A aveva otto turbogetti Pratt and Whitney J-57, ognuno dei quali poteva produrre circa 10.000 libbre di spinta.Immagine per gentile concessione della US Air Force.

Il progetto originale di Whittle fu chiamato turbogetto ed è ancora oggi ampiamente usato negli aerei. Un turbogetto è il tipo più semplice di motore a reazione basato su una turbina a gas: è un getto “a razzo” di base che fa avanzare un aereo sparando un getto caldo di scarico all’indietro. Lo scarico che lascia il motore è molto più veloce dell’aria fredda che vi entra, ed è così che un turbogetto produce la sua spinta. In un turbogetto, tutto ciò che la turbina deve fare è alimentare il compressore, quindi prende relativamente poca energia dal getto di scarico.

I turbogetti sono di base, motori a reazione di uso generale che producono quantità costanti di potenza per tutto il tempo, quindi sono adatti per piccoli aerei a getto a bassa velocità che non devono fare nulla di particolarmente notevole (come accelerare improvvisamente o trasportare enormi quantità di carico). Il motore che abbiamo spiegato e illustrato sopra è un esempio.Leggi di più sui turbojet dalla NASA (include un motore animato con cui puoi giocare).

Turboshafts

Foto: Il tubo grigio che potete vedere sotto il rotore di questo elicottero militare americano Seahawk è uno dei suoi due motori a turboalbero. Ce n’è un altro esattamente uguale dall’altra parte. Foto di Trevor Kohlrus per gentile concessione della US Navy.

Potresti non pensare che gli elicotteri siano azionati da motori a reazione – hanno quegli enormi rotori in cima che fanno tutto il lavoro – ma ti sbaglieresti: i rotori sono alimentati da uno o due motori a turbina a gas chiamati turboshaft. Un turboshaft è molto diverso da un turbogetto, perché il gas di scarico produce relativamente poca spinta. Invece, la turbina in un turbogetto cattura la maggior parte della potenza e l’albero che lo attraversa fa girare una trasmissione e uno o più riduttori che fanno girare i rotori. Oltre agli elicotteri, troverai anche motori a turbogetto in treni, serbatoi e barche. Anche i motori a turbina a gas montati in cose come le centrali elettriche sono turboalberi.

Turboprop

Foto: Un motore turboelica utilizza un motore a reazione per alimentare un’elica. Foto di Eduardo Zaragoza per gentile concessione della US Navy.

Un aereo moderno con un’elica usa tipicamente un motore a turboelica. è simile al turboalbero di un elicottero ma, invece di alimentare un rotore in testa, la turbina al suo interno fa girare un’elica montata sul davanti che spinge l’aereo in avanti. A differenza di aturboshaft, un turboprop produce una certa spinta in avanti da gas itsexhaust, ma la maggior parte della spinta proviene dal propulsore.poiché elica-driven aerei volare più lentamente, essi sprecare meno energyfighting resistenza (resistenza dell’aria), e che li rende molto efficientfor uso in aerei cargo cavallo di battaglia e altri piccoli, aerei leggeri.Tuttavia, le eliche stesse creano molta resistenza dell’aria, che è uno dei motivi per cui sono stati sviluppati i turbofan.Leggi di più sui turbofan dalla NASA.

Turbofan

Foto: Un motore turbofan produce più spinta usando una ventola interna e un bypass esterno (l’anello più piccolo che puoi vedere tra la ventola interna e la cassa esterna). Ognuno di questi motori produce 43.000 libbre di spinta (quasi 4,5 volte di più dei motori Stratofortress di cui sopra)! Foto di Lance Cheung per gentile concessione della US Air Force.

I giganteschi jet passeggeri hanno enormi ventole montate sulla parte anteriore, che funzionano come eliche super efficienti. Le ventole funzionano in due modi. Aumentano leggermente l’aria che scorre attraverso il centro (core) del motore, producendo più spinta con lo stesso carburante (il che li rende più efficienti). Inoltre soffiano una parte dell’aria all’esterno del motore principale, “bypassando” completamente il nucleo e producendo una corrente d’aria come un’elica. In altre parole, un turbofan produce spinta in parte come un turbogetto e in parte come una turboprop.I turbofan a basso bypass inviano praticamente tutta la loro aria attraverso il nucleo, mentre quelli ad alto bypass inviano più aria intorno ad esso. Una misura chiamata rapporto di bypass ti dice quanta aria (in peso) passa attraverso il nucleo del motore o intorno ad esso; in un motore ad alto bypass, il rapporto potrebbe essere 10:1, il che significa che 10 volte più aria passa intorno che attraverso il nucleo.Potenza ed efficienza impressionanti rendono i turbofan i motori di scelta su tutto, dai jet passeggeri (tipicamente usando alto-bypass) ai caccia a reazione (basso-bypass). Il design di bypass raffredda anche un motore a reazione e lo rende più silenzioso. Leggi di più sui turbofan dalla NASA.

Ramjet e scramjet

Foto: Un motore ramjet/scramjet Pegasus sviluppato per gli aerei spaziali nel 1999. foto per gentile concessione del NASA Armstrong Flight Research Center.

I motori a getto aspirano l’aria a velocità così, in teoria, se si progettasse l’ingresso come un ugello che si assottiglia rapidamente, si potrebbe far comprimere l’aria in arrivo automaticamente, senza un compressore o una turbina per alimentarlo. I motori che funzionano in questo modo sono chiamati ramjet, e sinceramente hanno bisogno che l’aria viaggi veloce, sono adatti solo per aerei supersonici e ipersonici (più veloci del suono). L’aria più veloce del suono quando entra nel motore viene compressa e rallentata drasticamente, a velocità subsoniche, mescolata con il carburante, e accesa da un dispositivo chiamato portafiamma, producendo uno scarico simile a un razzo simile a quello fatto da un classico turbogetto. I ramjet tendono ad essere usati su motori di razzi e missili, ma poiché “respirano” aria, non possono essere usati nello spazio. Gli scramjet sono simili, tranne che l’aria supersonica non rallenta tanto quanto accelera attraverso il motore. Rimanendo supersonico, l’aria esce a una velocità molto più alta, permettendo all’aereo di andare notevolmente più veloce di uno alimentato da un ramjet (teoricamente, fino a Mach 15, o 15 volte la velocità del suono nella regione “ipersonica alta”).Leggi di più su ramjetsand scramjets dalla NASA.

Grafico: I moderni motori a reazione sono circa 100 volte più potenti di quelli inventati da Frank Whittle e dal suo rivale tedesco Hans von Ohain. Il blocco rosso mostra il GE90, attualmente il motore più potente del mondo. Nella timeline qui sotto, puoi scoprire come si sono sviluppati i motori e i cervelli ingegneristici che li hanno progettati.

Una breve storia dei motori a reazione

• ~1800: Usando semplici modelli, l’inventore inglese Sir George Cayley (1773-1857) elabora il design di base e il funzionamento del moderno aeroplano ad ali spiegate. Sfortunatamente, l’unica fonte di energia pratica disponibile durante la sua vita è il motore a vapore alimentato a carbone, che è troppo grande, pesante e inefficiente per alimentare un aereo.
• 1860-1870: Lavorando indipendentemente, gli ingegneri francesi JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), l’ingegnere tedesco Nikolaus Otto (1832-1891) e Karl Benz sviluppano il moderno motore per automobili, che funziona con benzina relativamente leggera, pulita e ricca di energia – un carburante molto più pratico del carbone.
• 1884: L’inglese Sir Charles Parsons (1854-1931) è il pioniere delle turbine a vapore e dei compressori, pezzi chiave della tecnologia dei futuri motori per aerei.
• 1903: I fratelli ciclisti Wilbur Wright (1867-1912) e Orville Wright (1871-1948) compiono il primo volo a motore usando un motore a gas per alimentare due eliche fissate alle ali di un semplice aereo.
• 1908: Il francese René Lorin (1877-1933) inventa il ramjet, il motore a reazione più semplice possibile.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), nato in Romania ma che lavora principalmente in Francia, costruisce il primo aereo a reazione al mondo, il Coandă-1910, alimentato da una grande ventola d’aria invece di un’elica.
• 1914: Il pioniere americano dello spazio Robert Hutchings Goddard (1882-1945) ottiene i suoi primi due brevetti che descrivono razzi a più stadi alimentati a liquido – idee che, molti anni dopo, aiuteranno a lanciare le persone nello spazio.
• 1925: Pratt & Whitney (ora uno dei più grandi produttori di motori aerei del mondo) costruisce il suo primo motore, il Wasp a nove cilindri.
• 1928: L’ingegnere tedesco Alexander Lippisch (1894-1976) mette dei motori a razzo su un aliante sperimentale per fare il primo aereo a razzo del mondo, il Lippisch Ente.
• 1926: L’ingegnere britannico Alan Griffith (1893-1963) propone di utilizzare motori a turbina a gas per alimentare gli aerei in un classico documento intitolato AnAerodynamic Theory of Turbine Design. Questo lavoro fa di Griffith, in effetti, il padre teorico del motore a reazione (i suoi molti contributi includono la scoperta che il compressore di un motore a reazione deve usare pale curve piuttosto che quelle con un semplice profilo piatto). Griffith diventa in seguito un pioniere dei turboreattori, dei turbofan e degli aerei a decollo e atterraggio verticale (VTOL) come capo scienziato della Rolls-Royce, uno dei principali produttori di motori aerei del mondo.
• 1928: A soli 21 anni, l’ingegnere inglese Frank Whittle (1907-1996) progetta un motore a reazione, ma i militari britannici (e Alan Griffith, il loro consulente) rifiutano di prendere sul serio le sue idee. Whittle è costretto a fondare la sua società e a sviluppare le sue idee da solo. Nel 1937, costruisce il primo motore a reazione moderno, ma solo come prototipo a terra.
• 1936: Whittle inventa e deposita un brevetto per il motore turbofan bypass.
• 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), il rivale tedesco di Whittle, progetta contemporaneamente motori a reazione con compressori e turbine. Il suo motore HeS 3B, progettato nel 1938, aziona l’Heinkel He-178 nel suo volo inaugurale come primo aereo turbogetto del mondo il 27 agosto 1939.
• 1951: L’ingegnere aerospaziale statunitense Charles Kaman (1919-2011) costruisce il primo elicottero con un motore a turbina a gas, il K-225.
• 2002: Il turbofan GE90-115B della General Electric diventa il motore più potente del mondo, con una spinta massima di 569kN (127.900 lbf).
• 2019: Il General Electric GE9X, basato sul GE90, usa un alto rapporto di bypass di 10:1, meno pale della ventola e materiali migliori per fornire un’efficienza del carburante migliore del 10% e un consumo di carburante inferiore del 5% con meno rumore e meno emissioni. Tuttavia, produce una spinta significativamente inferiore (circa 470kN o 105.000 lbf).