Introduzione. Principio comune nella propulsione aeronautica e astronautica:

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1 Lezione 1 1 Introduzione Significato di propulsione ( Spinta in avanti ): azione con la quale una macchina ( convertitore di energia ) imprime ad un veicolo il moto desiderato. Concetto di reazione (tutti i sistemi propulsivi sono a reazione ) Forza propulsiva reazione all applicazione di una forza uguale e contraria sull ambiente esterno e/o su sostanze trasportate a bordo ed espulse. Propulsione Aerospaziale permette il moto nell atmosfera e nello spazio Studio delle macchine in grado di fornire la forza propulsiva (detta SPINTA o Thrust ) che permette il moto di veicoli nell atmosfera e nello spazio. Principio comune nella propulsione aeronautica e astronautica: la spinta si ottiene incrementando la quantità di moto di un fluido IL FLUIDO PROPULSIVO

2 Lezione 1 2 Incremento della quantità di moto del fluido propulsivo Propulsori ad elica Aria Elica Aria accelerata Fluido Propulsivo = Aria Energia Motore Esoreattori Fluido Propulsivo = Aria + Combustibile Aria Combustibile Motore Energia Gas combusti accelerati Endoreattori Fluido Propulsivo = Fluido stivato a bordo Serbatoio Fluido Energia Motore Fluido accelerato

3 Lezione 1 3 Classificazione PROPULSORI AD ELICA Il fluido propulsivo utilizzato per generare la spinta è esterno al propulsore, e la sua variazione di quantità di moto è ottenuta da processi meccanici attraverso un elica. PROPULSORI A GETTO (A REAZIONE) ESOREATTORI Soltanto parte del fluido propulsivo è trasportato a bordo, la parte rimanente essendo costituita dall aria atmosferica. ENDOREATTORI Tutta la massa da utilizzare come fluido propulsivo è trasportata a bordo del veicolo.

4 Lezione 1 4 Sorgenti di Energia Le fonti di energia considerate in campo aerospaziale per consentire al motore di accelerare il fluido propulsivo sono: Energia Chimica (fonte primaria) 1 Energia messa in gioco da reazioni chimiche e dovuta alla rottura e formazione dei legami. Può essere impiegata per produrre energia termica o elettrica da cui generare la spinta. E la principale (e quasi unica) fonte di energia impiegata nella propulsione aerospaziale. Energia Nucleare (fonte primaria) Energia liberata nella trasformazione di nuclei atomici (fenomeni radioattivi e reazioni nucleari). Può essere impiegata per produrre energia termica o elettrica da cui generare la spinta. Interessante per propulsione spaziale. Fattibilità dimostrata. Energia Solare (fonte primaria) Energia ottenuta catturando la radiazione solare tramite pannelli. Può essere sfruttata per generare elettricità o calore da cui poi trarre la spinta. Difficoltà per le enormi superficie dei pannelli per generare potenze significative. Prototipi. Energia Elettrica (fonte secondaria) Scarso interesse come fonte primaria (si può immagazzinare in batterie che sono però troppo pesanti); interessante se prodotta a bordo da altre sorgenti primarie (chimica, nucleare, solare). Si può utilizzare in diversi modi (potenza ad un albero, riscaldamento di propellente,... ). Impiegata per applicazioni di piccola potenza. 1 Fonte primaria = energia disponibile a bordo in quella forma; Fonte secondaria = forma di energia ottenibile a bordo da fonte primaria.

5 Lezione 1 5 Propulsione Aerospaziale Propulsione ad Elica Motoelica (Reciprocating Internal Combustion Engine) Turboelica (Turboprop) Turboalbero (Turboshaft) Propulsione a Getto Esoreattori (Air-Breathing) Statoreattore (Ramjet) Turboreattore (Turbojet) Turboreattore a doppio flusso (Turbofan) Pulsoreattore (Pulsojet) Endoreattori (Rockets) Termici Chimici Propellente solido Propellente liquido Elettrici Nucleari Solari Elettrici Elettrostatici Elettromagnetici Nucleari

6 Lezione 1 6 Propulsore ad Elica Il fluido propulsivo è aria esterna al motore e accelerata da un elica. E stato il primo tipo di propulsore impiegato in aeronautica, e l unico impiegato dal volo dei fratelli Wright nel 1903, fino a metà degli anni 40. Sono stati impiegati tre tipi di motori per conferire potenza all elica: Motoelica Motore a combustione interna alternativo (a pistoni) basato sul ciclo Otto o Diesel. Turboelica/Turboalbero Motore a combustione interna basato sul ciclo di turbina a gas (Brayton). Elettroelica Motore elettrico alimentato ad energia solare (progetto sperimentale della NASA) o a batteria (modelli).

7 Lezione 1 7 Propulsione ad Elica Motoelica semplice con compressore meccanico turbocompressore Turboelica Turboprop Turboshaft Propfan Elettroelica Batterie Celle solari

8 Lezione 1 8 Motoelica Motore simile a quello di un automobile: basato sul ciclo Otto o Diesel. Primo propulsore aeronautico e unico fino alla II guerra mondiale. Requisito di leggerezza. Motori raffreddati ad aria più leggeri. Sovralimentazione per compensare le riduzioni di prestazioni con la quota.

9 Lezione 1 9 Campo di applicazione: Motoelica Aviazione leggera con motori da 4 a 8 cilindri, potenze di ( hp) e massa di In passato anche motori più potenti oltre 750 (anche fino a 3000 ). Piccoli elicotteri.

10 Lezione 1 Turboelica 10 Il primo aereo di linea con turboelica risale al Ha rotto il dominio dei motoelica grazie al maggiore rapporto potenza/peso della turbina a gas rispetto al motore a pistoni. Sfrutta il ciclo di turbina a gas (ciclo Brayton-Joule) per generare la potenza all albero. T adduzione di calore 3 2 espansione compressione 4 1 sottrazione di calore In parte minore la spinta viene fornita anche dal getto del fluido utilizzato per generare la potenza. s

11 Lezione 1 Turboelica (Turboprop) 11 Generatore di gas turbina di potenza per l elica (conf. a turbina libera) Elevata spinta a punto fisso Contributo dei gas di scarico portata elica portata generatore di gas riduttore ( ) e variazione del passo peso turboelica peso turbogetto (a parità di generatore di gas) per meglio di motoelica (minore peso specifico e sezione frontale)

12 Lezione 1 12 Turboelica (Turboprop)

13 Lezione 1 13 Turboalbero (Turboshaft) Generatore di gas progettato per fornire solo potenza all albero. Utilizzati negli elicotteri grazie alla loro leggerezza e piccole dimensioni rispetto a motori a pistoni. Simili a turboelica: differiscono solo perché i gas caldi sono espansi in turbina fino a pressioni più basse generando così più potenza all albero e velocità di efflusso più bassa. Utilizzato anche per generatori di potenza ausiliari (APU).

14 Lezione 1 14 Propfan Combina la potenza di un motore a getto e l efficienza dell elica Elica con pale corte, larghe, simili a quelle di un fan Velocità di volo maggiori di turboelica

15 Lezione 1 15 Turboelica/Turboshaft/Propfan La famiglia dei turboelica trova una vasta applicazione: Aerei da trasporto militare, aerei da trasporto passeggeri regionali (basso consumo specifico, elevate spinte al decollo, velocità molto elevate non necessarie ( Elicotteri. ); La caratteristica principale di un propulsore ad elica è la potenza massima che il motore è in grado di fornire all albero. Per i turboelica (basati cioè sul ciclo di turbina a gas) il campo di potenze dei principali propulsori realizzati va da a.

16 Lezione 1 16 Elettroelica Motore elettrico che muove l elica. L energia elettrica è fornita da: Batterie P.es. Dirigibili (già La France nel 1884 con 6.5 ), aeromodelli,... Celle solari P.es. Progetto Helios allo studio della NASA. 14 motori elettrici (spinta 48.9 ciascuno per 1.5 di potenza) alimentati da un sistema di generazione di elettricità da energia solare dell ultima generazione. Esso usa il sole per la generazione dell elettricità necessaria e ne immagazzina una parte in batterie per permettere le operazioni anche di notte. Le eliche sono alte 1.8.

17 Lezione 1 17 Esoreattori (Propulsori a getto termico) Statoreattore (o autoreattore) Ramjet Scramjet Turbogetto Semplice con Postcombustore a doppio flusso (Turbofan) Flussi associati Flussi separati Front fan Aft fan Pulsogetto

18 Lezione 1 18 Esoreattori Fluido propulsivo è principalmente l aria, ma contribuisce anche il combustibile imbarcato a bordo. La stessa aria è quella che fluisce nel motore e che fornisce la propulsione. Gli esoreattori possono essere basati su: 1. Ciclo termodinamico di turbina a gas: Compressione adiabatica, riscaldamento isobaro (combustione), espansione adiabatica. Parte del lavoro di espansione compensa quello speso per comprimere, quello restante viene convertito in energia cinetica del getto utile per generare la spinta. Compressione-espansione senza turbomacchine: STATOREATTORE. Compressione-espansione con turbomacchine: TURBOREATTORE (TURBOGETTO). 2. Ciclo intermittente: PULSOREATTORE (PULSOGETTO).

19 Lezione 1 19 Statoreattore Ramjet (Combustione subsonica) Scramjet (Combustione supersonica) Concettualmente semplice Non dà spinta a punto fisso: impiego per fattibilità deve ancora essere dimostrata) Elevato consumo specifico ( Scramjet la cui

20 Lezione 1 20 Turbogetto Si tratta di un motore che sfrutta il ciclo di turbina a gas La spinta si ottiene facilmente dal getto Elevata potenza specifica (per unità di peso del motore) Ridotto ingombro frontale Elevata efficienza Poche revisioni non pianificate

21 Lezione 1 21 Turbogetto semplice Singolo albero Doppio albero Diverse configurazioni. P.es. uno o più alberi per avere migliori prestazioni del gruppo turbina-compressore. In generale nei turbogetti le spinte sono nel campo compreso tra e

22 Lezione 1 22 Turbogetto con postcombustore Poiché per mantenere la temperatura entro valori tollerabili dalle strutture la miscela è complessivamente ricca di aria, c è la possibilità di effettuare una seconda combustione iniettando ulteriore combustibile dopo l espansione in turbina. La postcombustione permette di avere temporaneamente una maggiore spinta, cosa di interesse nelle applicazioni militari. Si parla di impiego temporaneo a causa dell incremento del consumo specifico quando il postcombustore è acceso.

23 e Lezione 1 23 Turbogetto a doppio flusso (Turbofan) Flussi separati Flussi associati E il propulsore più diffuso negli aerei da trasporto passeggeri civili, grazie al basso consumo specifico e al buon funzionamento a velocità transoniche. Parametri principali: spinta e consumo specifico Parametro caratteristico: rapporto di by-pass (BPR) Spinte nel campo compreso tra

24 Lezione 1 24 Turbogetto a doppio flusso (Turbofan) a basso BPR e con postcombustore ad alto BPR L ottimizzazione del rapporto di by-pass dipende dalle applicazioni. Se l obiettivo è avere basso consumo si richiede elevato BPR Se l obiettivo è avere spinte specifiche elevate si richiede basso BPR e postcombustore.

25 Lezione 1 25 Turbogetto a doppio flusso (Turbofan)

26 Lezione 1 26 Pulsogetto Funzionamento ciclico Accensione-Scarico-Aspirazione Valvole aperte (aspirazione) Combustione: si chiudono le valvole e si scaricano i gas Depressione in c.c. si riaprono le valvole Presa Iniezione Candela Camera Valvole Assenza di compressore e turbina: semplicità e basso peso Funzionamento intermittente: alta Frequenza di accensioni dimensioni motore ( Idealmente combustione a volume costante ) Ugello Problemi: Gas residui in c.c. (accensione di miscela fresca) e depressione in c.c (ingresso aria dallo scarico); rumore e vibrazioni Spinta a punto fisso (e fino a )

27 Lezione 1 27 Endoreattori Il fluido propulsivo è costituito da propellente stivato a bordo ed accelerato dal motore. Caratteristiche Principali: Non necessitano di aria: volo a quote elevate e nel vuoto. Prestazioni indipendenti dalla velocità di volo: possibilità di raggiungere velocità elevatissime. Spinte elevate con pesi e volumi contenuti. Numero ridotto di organi in movimento: affidabilità. Elevato consumo specifico (bisogna portare a bordo non solo combustibile ma anche ossidante).

28 Lezione 1 28 Endoreattori Sorgenti di Energia Chimica Nucleare Solare interna interna esterna limitata limitata illimitata Accelerazione del fluido propulsivo Endoreattori Termici sorgente di energia energia termica processo termogasdinamico Endoreattori Elettrici sorgente di energia energia elettrica campi elettrostatici/elettromagnetici Endoreattori Nucleari energia nucleare energia cinetica energia cinetica energia cinetica

29 Lezione 1 29 Endoreattori Termici Chimici Sono gli unici utilizzati finora a parte qualche endoreattore di tipo elettrico utilizzato negli ultimi anni. Termonucleari La loro fattibilità è stata dimostrata con una serie di test svolti negli USA negli anni 70. Sono caratterizzati da elevate prestazioni ma sono stati abbandonati per ora a causa del loro elevato impatto ambientale. Potrebbero essere ripresi in considerazione per missioni su Marte. Elettrotermici Basso consumo ma basse spinte, sono di interesse per piccole dimensioni. Il fluido propulsivo viene scaldato da una resistenza elettrica. L energia elettrica deve essere disponibile a bordo (sorgente nucleare, solare, chimica). Termosolari (Solar Thermal Rockets) L energia solare viene utilizzata per riscaldare il fluido propulsivo (p.es. idrogeno). Si ottengono così gli stessi bassi consumi dei termonucleari e elettrotermici. Tuttavia spinte basse per la ridotta disponibilità di potenza.

30 Lezione 1 30 Endoreattori Termici Chimici Endoreattori Termici con sorgente di energia di tipo chimico. Endoreattori a Propellente Solido Endoreattori a Propellente Ibrido Endoreattori a Propellente Liquido

31 Lezione 1 31 Endoreattori Termici Chimici

32 Lezione 1 32 Endoreattori Elettrotermici Endoreattore elettrotermico ad arco Un arco elettrico scalda il fluido propulsivo a temperature elevate. L energia elettrica può essere ottenuta a bordo a partire da sorgenti chimiche (p.es. celle a combustibile) solari o nucleari (p.es. generatori a decadimento di radioisotopi, già usati per produrre energia elettrica in sonde spaziali di esplorazione della parte esterna del sistema solare dove l energia solare disponibile è scarsa)

33 Lezione 1 33 Endoreattori Termonucleari ). La tempe- Reazioni nucleari di fissione, fusione o decadimento radiattivo di un isotopo vengono utilizzate per trasferire calore al fluido propulsivo (di solito ratura massima del fluido è inferiore a quella del reattore che lo scalda. Si possono avere spinte elevate come quelle degli endoreattori chimici ma con minore consumo di propellente.

34 Lezione 1 34 Endoreattori Termosolari Limiti: limitata potenza solare disponibile; bassa spinta; impossibilità d uso notturno (o di eclisse); uso relativo alla parte interna del sistema solare.

35 Lezione 1 35 Endoreattori Elettrici Energia elettrica generata a bordo a partire da energia solare, chimica o nucleare. Non si hanno i limiti dovuti alla massima temperatura sopportabile dai materiali che ci sono nel caso degli endoreattori termici. Bassi consumi ma basse spinte. Endoreattori Elettrostatici Un campo elettrostatico accelera il propellente costituito da ioni positivi di mercurio o cesio o da colloidi. Endoreattori Elettromagnetici Un campo elettormagnetico accelera un plasma sia per effetto del campo elettrico sia di quello magnetico.

36 Lezione 1 36 Propulsori a Ciclo Combinato Combustibile= H2 Ossidante=O2/Aria Turboreattori Ramjets Scramjets Endoreattori Numero di Mach Impulso Specifico (s) Per un sistema di lancio può essere conveniente combinare i vantaggi dei diversi sistemi propulsivi brevemente descritti in un unico propulsore che funzioni da turbogetto o turbofan alle quote e velocità più basse fino a funzionare come uno statoreattore e quindi un endoreattore a quelle più elevate.