Progettazione di un razzo

Motori per razzo


Principi di funzionalmento

Qualsiasi motore a reazione e' basato sul principio di Azione e Reazione.
Un oggetto lanciato in una qualsiasi direzione genera una forza uguale e contraria al meccanismo che imprime la spinta.
Nel caso del motore a razzo, un getto di gas ad alta velocità viene espulso da un apposito ugello generando una forza equivalente.
Il gas e' ottenuto dal una reazione chimica all'interno del motore, precisamente la combustione di un apposito propellente formato da un comburente e da un ossidante.
La velocità di combustione deve rispettare precisi parametri, se e' troppo lenta il getto non ha la potenza necessaria a generare un'adeguata spinta, se è troppo veloce si verifica un'esplosione.


Com'e' fatto un motore a razzo

Il motore per razzo e' forse il più semplice sistema di propulsione. Non ha parti meccaniche in movimento e la struttura richiede pochissimi componenti.
In sostanza e' composto da un cilindro (case) che contiene la carica di propellente (grain), da un ugello calibrato (nozzle) e da una chiusura posteriore che in molti motori ospita il dispositivo di espulsione del sistema di recupero (deploy).
Il case dei motori più piccoli è fatto in cartone pressato, con pareti in grado di resistere alla pressione generata dalla combustione del propellente.
Il fatto che il cartone e' combustibile non deve ingannare, il tempo di propulsione e' talmente breve che il cartone non ha nemmeno il tempo di riscaldarsi.
E' ovvio pero' che un simile case non può essere riutilizzato.
L'ugello e' posto all'estremità inferiore ed e' realizzato con materiali in grado di resistere alle alte temperature, come ad esempio ceramica, creta, resine termoindurenti, metalli speciali o nei motori più sofisticati grafite.
Subito dopo l'ugello troviamo la carica di propellente, che nei motori a singolo uso e' una polvere compressa da speciali presse in modo da creare un monoblocco solido.
Subito dopo il propellente e' inserito una speciale composizione chimica che ha la proprietà di bruciare in tempi molto precisi, si tratta dalla carica di ritardo che serve ad attivare la carica di espulsione posta immediatamente sopra di essa.
Solitamente la carica di espulsione e' composta da polvere nera, in quantità tale da garantire uno sviluppo di gas idoneo alla pressurizzazione dell'interno del razzo e di espellere il paracadute ma non di distruggere l'intero modello.

Nei modelli ricaricabili il case invece e' costruito in metallo, solitamente leghe leggere per impiego aeronautico, come l'Ergal, Avional ecc.
In questi motori le chiusure anteriori e posteriori sono avvitate e possono essere rimosse per la pulizia del motore e la successiva ricarica.
I motori ricaricabili sono riutilizzabili centinaia di volte, in quanto i componenti che si usurano sono sostituiti ogni volta.
Infatti, oltre al propellente, il kit di ricarica comprende l'ugello, le guarnizioni di tenuta (O-ring), la carica di ritardo e la carica di espulsione.
L'americana Aerotech e' una delle ditte leader nella costruzione di questi motori e i sui prodotti raggiungono degli standard qualitativi in grado di garantire l'assoluta costanza di prestazioni, affidabilità e sicurezza.


Propellenti usati

Polvere nera

Il primo e il più classico dei propellenti per razzi e' la polvere nera, miscela inventata millenni fa dai cinesi (secondo altre fonti su scoperta da un monaco tedesco).
La composizione e' rimasta invariata da allora: e' composta da nitrato di potassio (salnitro), carbone di legna e zolfo in proporzioni rispettivamente del 75/15/10 %.
Per l'uso propulsivo viene impiegata una variante di tale miscela che non prevede lo zolfo in quanto aumenta la velocità di combustione e potrebbe far esplodere il corpo motore.
La resa e' medio-bassa ma per la sua economicità viene usata nei motori di piccola potenza.
Il principale difetto e' la pericolosità, in quanto la polvere nera ha tutte le caratteristiche per essere classificata come materiale esplosivo.

Propellenti allo Zinco-Zolfo

Nei tempi passati veniva molto usato dai razzomodellisti un propellente composto da una miscela di zinco metallico finemente polverizzato e zolfo in proporzioni tipiche di 70/30%
Il rapporto spinta/peso e' medio e in passato era considerato un ottimo propellente.
Attualmente molti razzomodellisti lo usano ancora per i record d'altitudine.
I difetti sono la difficile reperibilità dello zinco in polvere e il costo piuttosto elevato.
Secondariamente, la combustione produce una notevole quantità di scorie solide sotto forma di fiocchi bianchi.

Propellenti basati sullo zucchero

Un'altra famiglia di propellenti per motori a razzo e' quella basata sull'impiego di potassio nitrato unitamente a saccarosio (o destrosio) in proporzioni variabili dal 60/40 al 65/35%.
Essendo dei componenti facilmente reperibili e a basso costo ci sono molti razzomodellisti (soprattutto americani) che usano queste miscele per i loro motori autocostruiti.
Il rapporto peso/spinta non e' dei migliori e i motori sono abbastanza ingombranti e pesanti ma e' comunque possibile ottenere apprezzabili risultati con un'accurata progettazione e un assemblaggio perfetto.
I grani di propellente sono preparati riscaldando una miscela di potassio nitrato e zucchero fino alla fusione e versando l'impasto dentro a delle formelle cilindriche dotate di foro centrale.
I difetti più evidenti di questo propellente sono l'alta produzione di scorie durante la combustione e l'elevata igroscopicità che richiede procedure di conservazione particolari.


Propellenti compositi

I moderni motori per razzi, soprattutto quelli di alta potenza ed in particolare quelli ricaricabili usano dei propellenti di nuova generazione.
Sono derivati direttamente dalle tecnologie impiegate sui motori booster dello Shuttle e dell'Ariane e sono basati su miscele di perclorati, alluminio in polvere, polimeri e leganti vari.
Il rendimento e' buono e sono considerati affidabili e sicuri.


Propellenti senza fiamma

Oltre ai propellenti tradizionalmente usati nei motori a razzo che bruciano generando una fiamma, esistono anche degli speciali composti che generano gas ad alta pressione senza pero' generare fiamma.
Un'esempio e' il motore a perossido di idrogeno (acqua ossigenata) che viene usato nei motori di assetto dei veicoli spaziali oppure nella cintura a razzo di costruzione americana.
In questo tipo di motore, la spinta e' generata dalla reazione del perossido di idrogeno (pressurizzato con azoto compresso) con un catalizzatore realizzato con una rete di argento rivestita di permanganato di potassio oppure samario nitrato.
La decomposizione del perossido produce ossigeno e vapore acqueo ad alta pressione espulso tramite un ugello, in grado di produrre una notevole spinta.
Il vantaggio del sistema e' la modulabilità del getto e dell'assenza di sottoprodotti inquinanti. Il fattore negativo consiste nell'alto costo e nella difficile reperibilità del perossido d'idrogeno ad alta concentrazione.





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