RAZZO

RAZZO

. Il termine indica genericamente un dispositivo capace di produrre una forza propulsiva (spinta), facendo effluire gas di scarico attraverso un ugello, e utilizzandone la variazione di quantità di moto (v. propulsione: Propulsione spaziale, App. III, 11, p. 508, e propulsione: Propulsione a razzo, in questa Appendice). In tale contesto, quindi, la parola r. ha significato essenzialmente propulsivo, così da non far apparire appropriato l'uso ormai invalso, di sostituirlo al termine missile. Qui di seguito ci si riferisce perciò alla parte del veicolo dedicato alla produzione della spinta, rimandando a missile (v. in questa App.) per lo studio del sistema completo. Si prendono in considerazione soltanto i r. chimici, mentre per quelli nucleari, e per i sistemi di propulsione elettronica, essendo usati prevalentemente per le applicazioni spaziali, si rimanda alla v. spazio, esplorazione dello, in questa Appendice.

Razzi chimici. - Razzi a liquido. - Ricordiamo che i propellenti liquidi (v. propellenti chimici, App. III, 11, p. 499) possono essere monopropellenti o bipropellenti. Alla prima classe appartengono propellenti contenenti un agente ossidante e una materia combustibile, in una sostanza unica, che può essere una miscela di parecchi composti, oppure un materiale omogeneo. L'inconveniente principale è la loro instabilità a temperatura elevata, che porta alla decomposizione; è evidente peraltro la maggiore semplicità delle linee dei circuiti di alimentazione. I monopropellenti trovano impiego pratico solo nei piccoli r. di controllo. I bipropellenti sono costituiti da due diverse sostanze, con serbatoi separati, e non sono mescolati che in camera di combustione. Ai liquidi propellenti veri e propri vanno associati speciali sostanze catalizzatrici (permanganato di sodio) e acqua di raffreddamento.

I propellenti liquidi si confrontano sulla base delle caratteristiche di efficienza, che si esprimono con i valori numerici dell'impulso specifico (e/o della velocità caratteristica); è evidente la convenienza di avere un basso peso molecolare. Proprietà fisiche indesiderabili sono la capacità di corrosione dei serbatoi e dei condotti, i rischi di esplosione e d'incendiabilità, la tossicità; proprietà fisiche desiderabili sono, invece, il basso punto di congelamento, che consente di operare a basse temperature, l'alto peso specifico (che permette di ridurre il volume dei serbatoi), la stabilità, la facilità di pompaggio (bassa tensione di vapore e viscosità), ecc.

L'avvio della combustione può essere spontanea (propellenti ipergolici) o può aver bisogno di appositi "accenditori" che portano la miscela alla temperatura necessaria per l'autosostentazione della reazione.

Lo schema generale di un r. è indicato in fig. 1 (per le effettive disposizioni costruttive, v. missile, in questa Appendice). Dai serbatoi, in generale a sezione cilindrica con estremità a profilo ellittico, il propellente effluisce nelle linee di alimentazione; l'efflusso può avvenire per effetto della pressione di un gas agente sul pelo libero del serbatoio, o per aspirazione di due turbopompe (una per ciascuno dei due propellenti): questa seconda soluzione è assai più frequente e, in ogni caso, di adozione pressoché universale nei grossi boosters (primo stadio dei missili per la messa in orbita). Ovviamente il sistema è dimezzato (un serbatoio, una linea, una pompa) nel caso, peraltro infrequente, di monopropellenti. Le linee di alimentazione sono assai complesse e costituiscono una vera e propria foresta di elementi idraulici; ogni elemento (linea diritta, raccordi, soffietti, ecc.) è dotata di una propria resistenza, induttanza, capacità, che concorre a formare la funzione di trasferimento della linea.

Le pompe di alimentazione costituiscono un punto nevralgico e particolarmente delicato del sistema, specialmente in rapporto al loro contributo ai fenomeni d'instabilità, come il POGO (v. missile). Esse sono caratterizzate da elevata portata (basti pensare che, con un impulso specifico di 280 sec, sono necessari circa 600 kg/sec per produrre la spinta di 170 t, dell'ordine di grandezza del Titan III primo stadio).

Le pompe vengono mosse da una turbina a gas che opera per espansione dei gas di combustione di una frazione del propellente, dalle cui linee sono derivate le quantità necessarie di fluido attraverso un sistema di valvole. Il propellente viene poi fatto circolare entro una camicia che circonda la camera di combustione vera e propria, con il duplice scopo di raffreddarla e di aumentare la sua energia interna a spese di una parte del calore di combustione che resterebbe altrimenti inutilizzato. La camera di combustione è un condotto convergente-divergente, in cui i propellenti dapprima vengono bruciati e successivamente si espandono. I problemi relativi sono problemi di trasmissione del calore e quelli derivanti da vibrazioni eccitate acusticamente; ambedue si traducono, a loro volta, in sollecitazioni meccaniche che è necessario controllare.

Gl'iniettori hanno lo scopo ovviamente di permettere la formazione intima della miscela chimica. Se ne distinguono vari tipi. Tra i più usati, è lo schema di fig. 2A, in cui alternativamente un tubicino porta l'ossidante e l'altro il combustibile, che si trovano subito mescolati all'ingresso in camera di combustione. Talvolta, fig. 2B, si usa il mescolamento a tre flussi, in dipendenza del rapporto di miscela, o l'automescolamento, fig. 2C.

La tabella mostra, a titolo di confronto, alcuni parametri caratteristici del primo stadio del r. Saturn, quello impiegato per il progetto Apollo, del secondo stadio dell'Atlas e di un piccolo r. per controllo d'assetto.

Assai importanti sono i sistemi di controllo della variazione della direzione di spinta. Due di tali sistemi sono rappresentati in fig. 3. Il tipo A consiste nello spostamento angolare dell'ugello mediante un giunto sferico; nel tipo B s'impiegano alette a ad alta resistenza al calore, che deflettono il getto dell'angolo necessario. Si usano spesso piccoli getti ausiliari oscillanti, disposti ai lati del getto o dei getti principali (fig. 4).

Razzi a solido. - In un r. a solido il propellente viene inserito direttamente nella camera di combustione con un anticipo anche di alcuni anni rispetto al momento d'impiego. Lo schema di un motore del genere è indicato in fig. 5. Elementi fondamentali sono: l'involucro a, il sistema d'isolamento termico interno b, la protezione termica esterna c, il "grano" di propellente d, il diaframma di arresto della combustione e, l'accenditore f. Il r. a solido è quindi assai più semplice di quello a liquido, per l'assenza di serbatoi, pompe, condotti. Stanno di contro la minore flessibilità sulla spinta, la difficoltà di riaccensione e spegnimento, i formidabili problemi tecnologici e costruttivi, derivanti dalle condizioni termiche del razzo.

D'importanza fondamentale, per i propellenti solidi, è la velocità di combustione ρ. La superficie di combustione regredisce in senso normale a sé stessa e la velocità di combustione è misurata in cm/sec. Essa dipende naturalmente dal propellente ed è influenzata da vari fattori.

La pressione in camera di combustione, p_c, è collegata a ρ dalla ρ = a pn_c, o da espressioni più complicate: il coefficiente n varia da 0,2 ÷ 0,8; valori troppo alti rendono la combustione troppo sensibile alla pressione, e ne causano un rapido aumento che può talvolta risultare assai pericolosa. Invece valori troppo bassi rendono la combustione instabile, con possibilità di indesiderabili spegnimenti. Il valore di a è circa 0,012 (per p_c in kg/cm² e ρ in cm/sec). L'effetto della temperatura di combustione è tale da aumentare la velocità ρ, riducendo il tempo totale. Altri fattori importanti sono la velocità del gas effluente e le accelerazioni a cui il r. è soggetto.

Tra i metodi usati per l'aumento della velocità di combustione si citano l'aggiunta di appositi catalizzatori, l'impiego di leganti a forte potere calorifero, l'uso di fili di metallo nel grano. Con questi mezzi si raggiungono velocità di combustione dell'ordine di 0,3 cm/sec senza speciali additivi, e fino a circa trenta volte di più con additivi sofisticati.

Per i propellenti solidi si pone anche il problema delle caratteristiche meccaniche e termiche. Essi debbono infatti possedere forte resistenza meccanica per sopportare gli sforzi assai elevati che si producono all'atto della formazione del grano (ritiro), e nelle condizioni di urto termico all'accensione. È necessario evitare la possibilità di fessurazioni per sforzo termico o meccanico, che porterebbero a un aumento irregolare della superficie di combustione; questo effetto va peraltro considerato in relazione alla geometria del grano prodotto. Altre proprietà importanti riguardano la stabilità al lungo immagazzinamento, le possibilità di deflagrazioni spontanee, oltre che il peso e il costo.

La configurazione del grano regola la variazione temporale di spinta. Infatti, a causa della variazione della superficie di combustione, il prodotto portata-velocità caratteristica potrebbe essere soggetto ad aumenti o diminuzioni non desiderate. Combinando alcuni tipi fondamentali di profili, si giunge a sezioni di varia forma, alcuni dei quali sono indicati in fig. 6. Vi è anche la possibilità di combustione in senso assiale (a sigaretta) e di sua combinazione con la combustione radiale.

All'atto dell'inizio della combustione è necessario assicurare un tempo sufficientemente breve per il raggiungimento delle condizioni di equilibrio. Si hanno tre fasi principali: a) tempo di esecuzione del segnale di accensione, b) tempo di completa accensione del grano, c) tempo di raggiungimento della pressione finale. Lo schema tipico di sequenza di tali eventi è indicato in fig. 7. Queste funzioni sono assolte dall'accenditore (igniter), di cui esistono svariati tipi. Il più comune è l'accenditore pirotecnico, costituito da un cestino contenente delle pasticche infiammabili (composte da boro, potassio e leganti) che vengono inserite, a comando, in un piccolo vano adiacente alla camera di combustione, e successivamente accese dal calore di un filo elettrico.

L'involucro del r. è soggetto a elevate sollecitazioni, derivanti sia dai fenomeni di combustione che avvengono al suo interno, sia dalle stesse accelerazioni cui è soggetto il veicolo. Si hanno quindi sforzi di compressione, flessione, taglio, ecc., accompagnati da riscaldamento (sia cinetico sia derivante dal calore di combustione), oltre a fenomeni di corrosione, e alle speciali condizioni di operazione nell'ambiente aerospaziale. Queste circostanze hanno condotto alla ricerca di tipi strutturali più avanzati, e tra questi vanno citati i moderni tipi di strutture filamentarie, in cui una matrice plastica contiene all'interno dei filamenti di vetro, che hanno una resistenza alla trazione dell'ordine di grandezza dei migliori materiali metallici. Più recentemente si stanno sviluppando materiali compositi filamentari a fibre organiche (fino a 170 kg/mm² di resistenza con peso specifico di 1,5 g/cm³). Vedi tav. f. t.

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