Durante la Seconda Guerra Mondiale, la Germania è stata l’unica nazione ad aver sviluppato velivoli con motore a reazione; con la caduta di quest’ultima, la tecnologia è stata ripresa dagli Stati Uniti e dalla Russia che hanno migliorato il progetto iniziale, rivoluzionando così il viaggio aereo.

Il Motore a Reazione ha permesso di sviluppare velivoli con la capacità di viaggiare più velocemente rispetto a quelli con motori a petrolio o ad elica. La maggior parte dei velivoli attualmente in uso sono provvisti di motori turbogetto, turboventola o turboelica.

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F-18 Hornet in partenza da una AirCraft Carrier

Tutti i motori in questione lavorano sullo stesso principio: produrre una spinta per portare l’aereo in avanti. Questa spinta è conseguita tramite la combustione del carburante e dell’aria, provocando un getto di gas che porta la spinta necessaria al velivolo.

Parti principali del Motore a Reazione:

I Motori a Reazione sono usati nella maggior parte dei velivoli e la loro efficienza dipende dalle seguenti fasi:

  • Diffusore: è la prima fase del motore: l’aria entra alla stessa velocità del velivolo (da direzione opposta, ossia dalla prua)  e viene rallentata nel diffusore
  • Compressore: l’aria che abbandona il diffusore ha velocità trascurabile ed entra nel compressore dove viene compressa.
  • Camera di Combustione: l’aria, una volta compressa, entra nella camera di combustione, dove il carburante viene a contatto con quest’ultima e qui avviene la combustione.
  • Turbina: i gas prodotti dalla combustione muovono la turbina, la quale a sua volta muove il compressore (cosi da far confluire aria nel motore) e produce corrente elettrica per il velivolo.
  • Ugello di Uscita: i gas prodotti dalla combustione si espandono e abbandonano l’ugello ad alta velocità: questa reazione produce la spinta necessaria al velivolo.
  • Postbruciatore: presente solo sui velivoli militari, è una componente che inietta carburante all’interno dei gas in uscita dalla turbina, producendo così una spinta aggiuntiva che aumenta la velocità e la temperatura del gas in uscita dall’ugello. Il postbruciatore consuma una quantità rilevante di carburante e per tale motivo non può essere usato in modo prolungato (e inoltre può daneggiare il motore).

Trattazione Fisica e Ingegneristica

Nella realtà non si deve pensare che un condotto che diminuisce di sezione (un condotto convergente) aumenti la velocità del flusso (in questo caso l’aria) né che uno condotto che aumenti di sezione (divergente) diminuisca la velocità del flusso. A livello fisico, nel caso di condotti debolmente variabili (ossia che variano poco di sezione), avremo due casi separati se il flusso del gas arriva a velocità subsonica (M<1) o supersonica (M>1). Il Numero di Mach (M o Ma) è un gruppo adimensionale adimensionale (un numero, un valore senza dimensione, “praticamente” senza unità di misura) che viene utilizzato nello studio della comprimibilità o incomprimibilità di un flusso. Se avessimo un flusso supersonico, quindi a M > 1, in entrata ad un condotto convergente, il risultato non sarebbe un aumento di velocità ma una diminuzione di quest’ultima (poiché entra in gioco la densità) mentre nel caso di un divergente aumenterà la velocità.
Nel caso di un velivolo generico avremo una situazione in cui il flusso in entrata sarà subsonico un M < 1 (come in figura) e quindi aumenterà la velocità fino a giungere a M = 1 (flusso sonico) nella Sezione di Gola chiamata anche Sezione Minima (Throat, in inglese). Raggiunta la Gola il flusso sarà passato da subsonico a supersonico (M > 1) quindi avremo una situazione come quella spiegata poche righe sopra: il flusso supersonico in un divergente aumenta la velocità. Su questa base avviene il funzionamento dei motori aeronautici.

Due condotti, uno convergente, l'altro divergente. Siamo nella situazione in cui il Mach di ingresso è 1 pertanto avremo due Ugelli Propulsivi (Nozzle).
Due condotti, uno convergente, l’altro divergente. Siamo nella situazione in cui il Mach di ingresso è 1 pertanto avremo due Ugelli Propulsivi (Nozzle).

Classificazione dei Motori a Reazione

1.TurboGetto

Il Turbogetto o motore a getto è una tipologia di motore a reazione; oggi è in disuso per l’elevato consumo di carburante ed è stato sostituito dal Turbofan o Turboventola. Il Turbojet era il motore a reazione più usato tra gli anni ’40 e ’70.

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Schema di un Motore a Reazione generico.

 

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F-14 in partenza da una portaerei. Il motore dell’F14 era un Turbojet.

2. Turboventola

Gran parte dei velivoli moderni civili, militari,UAVs e persino missili sono basati su motori a reazione di tipo Turbofan o Turboventola.

turbofan turboventola reaction engine motore a reazione
Schema descrittivo di un motore a reazione del tipo Turbofan o Turboventola.

Un motore Turbofan è molto simile ad un Turbojet ma con una fase aggiuntiva: la ventola.

  • La ventola è posta davanti al diffusore e connessa allo stesso albero che comanda il compressore e la turbina nel turbojet. Inoltre la ventola risucchia l’aria ad una velocità maggiore e produce una spinta aggiuntiva.
  • I motori turbofan sono molto efficienti a medie ed elevate velocità, motivo per cui hanno sostituito i motori turbojet.
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Il SU-27 è provvisto di un motore Turbofan.

3. Turboelica

Abbiamo inserito nella trattazione anche il turboelica ma non è propriamente un turbojet.

I motori Turboprop o Turboelica sono in uso su tutti i velivoli con velocità minore degli 800km/h. I motori a reazione, sia Turbojet o Turbofan, non sono molto efficienti a basse velocità.

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Schema descrittivo di un motore Turboprop o Turboelica.

Anche il Turboelica è un motore simile ad un generico motore a reazione.

  • Una elica orientata è connessa al motore a reazione ma il principio di funzionamento rimane identico: la turbina, più grande rispetto a quella di un turbojet, comanda l’elica, il compressore e i generatori.
  • Gran parte della potenza generata dalla turbina è consumata dall’elica, la restante parte viene convertita in spinta.
  • La rotazione dell’elica produce spinta per il velivolo e crea una riduzione di pressione dell’aria di fronte ad essa, provocando un aumento di velocità dell’aria in entrata nel motore.
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Il TU-95 Bear sfrutta dei motori Turboprop.

 4. Turboalbero

Il motore Turboalbero è usato su tutti gli elicotteri. Il principio di funzionamento si basa sul motore turbojet, ma i gas sprigionati dalla combustione non servono per spingere il velivolo.

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Schema descrittivo di un motore Turboalbero.
  • L’aria compressa è bruciata nella camera di combustione ed è sfruttata per muovere la turbina. I gas vengono scaricati lateralmente e producono una trascurabile spinta al velivolo.
  • La turbina muove l’albero principale che a sua volta fa ruotare il rotore del velivolo.
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In foto UH-1Y.

5. Statoreattore

Un motore Statoreattore o Ramjet è utilizzato per ottenere velocità supersoniche. E’ il modello piu semplice di motore a reazione poichè non è composto da parti meccaniche in movimento come compressori o turbine.

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Schema descrittivo di un Ramjet o Statoreattore.
  • E’ costituito da un diffusore che comprime l’aria, convertendo la sua energia cinetica in pressione.
  • L’aria che entra a velocità supersonica viene rallentata prima di entrare nella camera di combustione. Come nei turbojet, nella camera di combustione avviene la combinazione tra aria e carburante.
  • Il gas viene completamente scaricato dall’ugello poichè non è presente alcuna turbina: il gas di scarico è convertito totalmente in spinta.
  • Un motore ramjet non può essere azionato da fermo, pertanto è spesso collegato ad un motore turbojet o ad un razzo che produce la velocità necessaria per l’accensione. Un motore turbojet collegato ad un ramjet è chiamato turboramjet ed è in uso sui velivoli militari.
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Missile RATTLRS della Lockheed Martin.

6. Spinta direzionale

Per spinta direzionale non si intende solo la spinta “verticale” di alcuni particolari velivoli come l’F35 o l’AV-8B Harrier, ma la possibilità di poter direzionare la spinta in più direzioni.

SU-30MKM
SU-30MKM.

Oltre a queste tipologie, sono presenti altri motori come Scramjet, Propfan, Pulsejet, Pulse Detonation Engine e vari ibridi.

Lo sviluppo e il design di motori può sembrare “semplice” ma pochi Stati sono in grado di costruire motori efficaci e affidabili. Tuttora, solo gli USA, Russia e Europa riescono a produrre in larga scala motori non solo potenti ma soprattutto efficienti.

Fonte: Defencyclopedia.com e Wikipedia (per le immagini) e rivisitazione di Militarypedia.it

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8 Commenti

    • La combustione è un processo di conversione da energia chimica ad energia termica che avviene nella camera di combustione, posizionata tra compressore ed espansore (ossia la turbina). L’aria compressa che entra nel motore viene portata in una camera di combustione aperta (non chiusa come quella del motore dell’auto) dove degli iniettori fanno in modo di miscelare l’aria al combustibile. I gas sprigionata dalla combustione entrano poi nella turbina che serve ad estrapolare lavoro dal contenuto energetico del flusso caldo che transita. Il lavoro estrapolato è usato prevalentemente per l’azionamento del compressore. Una volta che il flusso supera la turbina esce dal motore ad una velocità maggiore dell’aria che entra. Per la legge della quantità di moto si ha che
      Forza * tempo = massa * (Velocità in uscita – velocità in ingresso)
      poiché come ho detto la velocità in uscita e’ maggiore di quella in ingresso, il secondo membro dell’equazione è positivo ed è per tale motivo che si genera una forza esercitata dal motore che ”spinge” in avanti il velivolo.
      In sintesi, grazie alla differenza di velocità tra ingresso ed uscita del motore si ha la spinta che serve al velivolo. Da dove viene questa differenza di velocità? Dalla combustione che genera gas caldi a velocità più elevata dell’aria in ingresso.

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