Cos'è la propulsione?

La propulsione è l'azione o il processo utilizzato per applicare una forza in modo tale da far sì che un oggetto cambi il suo movimento di traslazione. Propulsione deriva dal latino propellere, dove pro significa "prima" e pellere significa "guidare", e la utilizziamo per attraversare una stanza, guidare un'auto, far volare un aereo e lanciare un razzo nello spazio.

Un ottimo modo per comprendere il concetto di propulsione è considerare la terza legge del moto di Newton, secondo cui "ogni azione ha sempre una reazione uguale e contraria". Quindi, quando si cammina, il piede spinge contro il terreno e il terreno spinge contro di noi. Come descritto dalla seconda legge di Newton, poiché il suolo ha una massa significativamente più grande della nostra, ci muoviamo in avanti. Allo stesso modo, in un motore a razzo, il gas viene espanso attraverso la combustione e accelerato a velocità supersoniche, provocando una reazione contro il razzo stesso in direzione uguale e contraria. 

Componenti di un sistema di propulsione

I sistemi di propulsione sono costituiti da due parti. La prima è una fonte di energia meccanica e la seconda è un propulsore che converte quella potenza in forza propulsiva. 

Per un'automobile alimentata a benzina, la fonte di energia è la combustione della benzina e il sistema di propulsione è costituito dal motore, dalla trasmissione e dalle ruote. In un'automobile elettrica, la fonte di energia è il potenziale elettrico immagazzinato nelle batterie, mentre il propulsore è il motore elettrico, la trasmissione e le ruote. La fonte di energia viene spesso definita carburante e il propulsore, in cui l'energia viene convertita in forza, viene solitamente chiamato propulsore o motore. 

Gli ingegneri utilizzano questi principi di base sulla propulsione per progettare sistemi di trasporto che muovono i veicoli sul terreno, sopra e sott'acqua, nell'aria e nello spazio. Le dimensioni e la massa del veicolo, insieme al mezzo attraverso il quale questo viaggia, spesso determinano il tipo di propulsione utilizzata. 

I sistemi di propulsione includono sottosistemi per ottenere o immagazzinare la fonte di energia meccanica, un propulsore e un sistema di controllo per regolare le forze prodotte. In passato, la maggior parte dei sistemi di propulsione utilizzava un'unica fonte di energia e un modo per convertire tale potenza in forza. Tuttavia, per ottenere una maggiore efficienza, le nuove tecnologie abilitano sistemi di propulsione ibridi che combinano motori a combustione chimica e interna con potenziale elettrico immagazzinato in batterie e motori elettrici.

La maggior parte dei sistemi di propulsione crea una forza propulsiva attraverso uno dei quattro sistemi di propulsione: arti, ruote, eliche o propulsori. 

Ruote

Una ruota che tocca una superficie fissa converte una forza rotazionale in una forza lineare, spingendo in avanti l'oggetto al quale è fissata. La forza di rotazione, chiamata coppia, può essere creata da vari propulsori e motori.

Eliche

Un'elica è un qualsiasi dispositivo collegato a un albero di rotazione costituito da più pale sottili disposte a formare una spirale elicoidale che esercita una forza sull'aria o sull'acqua. La forza risultante sulle pale crea il movimento in avanti. Un'elica può essere grande quanto il rotore di un elicottero o piccola quanto le pale di un drone. Quelle utilizzate nelle applicazioni marine sono talvolta chiamate eliche. 

Propulsori

Quando la quantità di moto di un fluido di lavoro, gas o liquido, viene accelerata, esercita una forza lineare chiamata spinta. La maggior parte delle applicazioni utilizza il calore della combustione per creare la spinta. Nelle applicazioni marine, la spinta può essere prodotta dall'acqua tramite una girante, che converte la coppia in accelerazione centrifuga convogliata in un flusso assiale. Un campo elettrico può creare spinta utilizzando un gas ionizzato o un plasma. 

Di seguito è riportato un elenco dei tipi più comuni di sistemi di propulsione:

Motori a combustione interna (ICE)

La forma dominante di propulsione utilizzata dagli esseri umani sono ancora i motori a combustione interna nei veicoli automobilistici, marini e aerei. La fonte di energia è la combustione di idrocarburi. La combustione di benzina, gasolio o gas naturale crea gas pressurizzato che spinge contro i pistoni per creare una forza lineare. Un albero motore converte la forza lineare in una forza rotazionale per azionare una ruota o un'elica. 

Turbine di potenza o motori a turbina a gas

Una turbina di potenza, chiamata anche turbina a gas, utilizza i gas in espansione della combustione come fonte di energia per azionare uno o più rotori della turbina, creando forze di rotazione che azionano un'elica o una ruota. I motori a turbina a gas sono accoppiati con eliche negli aerei a turboelica, rotori negli elicotteri ed eliche in navi e imbarcazioni. I motori a turbina a gas possono alimentare anche veicoli su ruote pesanti come locomotive o carri armati. 

Motori elettrici

I motori elettrici stanno sostituendo sempre più le forze di rotazione create dai motori a pistoni e a turbina. La fonte di energia per un motore elettrico è una qualche forma di potenziale elettrico. Di solito si tratta di un pacco batteria, di una cella a combustibile a idrogeno o di una linea di trasmissione. Il passaggio di corrente elettrica attraverso un elettromagnete crea una forza attrattiva affinché un altro elettromagnete o un magnete permanente generi coppia. Un albero trasferisce la coppia alle ruote o alle eliche. 

Motori a reazione

La forma più efficiente e comune di propulsione aeronautica è la propulsione a reazione. Ogni tipo di motore a reazione è costituito da un compressore che crea aria ad alta pressione e da una camera di combustione che mescola il carburante con l'aria e lo brucia, creando la spinta. La maggior parte dei motori a reazione include anche una sezione turbina che estrae energia dai gas in espansione per generare la coppia utilizzata per comprimere l'aria in entrata o azionare un'elica intubata, chiamata ventola.

Ecco i tipi più comuni di motori a reazione a respirazione d'aria:

Turbogetto: le prime forme di propulsione a reazione consistevano solo in uno stadio compressore, una camera di combustione e una turbina per azionare i compressori. Utilizzano la spinta come propulsore. 

Turboventola: per aumentare l'efficienza di un motore a reazione, una sezione aggiuntiva della turbina nella parte posteriore del motore aziona un'elica nella parte anteriore del motore con molte pale, chiamata turboventola a bypass. La maggior parte degli aerei di linea moderni utilizza motori aeronautici ad alto rapporto di diluizione, in cui una ventola che funge da elica genera la maggior parte della forza propulsiva anziché la spinta dalla combustione. 

Statoreattore: lo statoreattore sostituisce i compressori rotanti in un motore a reazione standard con un ingresso che riduce l'area della sezione trasversale come un imbuto, applicando un effetto dinamico e comprimendo l'aria forzata nella parte anteriore del motore. Le principali applicazioni dello statoreattore sono i veicoli aerospaziali che richiedono velocità supersoniche. L'aria che scorre attraverso uno statoreattore standard viene ridotta a velocità subsoniche prima del combustore. In uno scramjet, o statoreattore a combustione supersonica, il flusso supersonico nel combustore consente al motore di funzionare a velocità più elevate. 

Motori a reazione con postcombustione: Il postcombustore è una camera di combustione aggiuntiva aggiunta nella parte posteriore della sezione della turbina di un motore a reazione tradizionale. Il carburante viene spruzzato nel flusso di scarico e acceso, creando una pressione significativa e una spinta aggiuntiva. I postbruciatori consentono agli aerei di raggiungere velocità supersoniche, fornire spinta aggiuntiva per il decollo o generare spinta di emergenza per manovre di emergenza negli aerei durante il combattimento. 

Propulsione a razzo

La propulsione a razzo utilizza una reazione chimica per creare gas ad altissima pressione che vengono poi convertiti in spinta. I motori a razzo sono costituiti da un sistema di alimentazione per fornire carburante e un ossidante, una camera di combustione per accendere il carburante e l'ossidante per produrre gas in rapida espansione e un ugello per convertire la pressione in spinta o quantità di moto in una direzione. 

I motori a razzo possono essere classificati in base al loro utilizzo di combustibile solido o liquido: 

Motori a razzo a combustibile liquido: un motore a razzo a propellente liquido brucia un ossidante liquido, solitamente ossigeno liquido, con un carburante costituito da idrogeno liquido, cherosene o metano. Il carburante viene fornito alla camera di combustione mediante gravità, accelerazione, pressione o turbopompe. Gli ugelli sono fissati alle aperture nella camera di combustione per convertire il gas in espansione in spinta diretta. Il controllo del carburante e dell'ossidante regola la quantità di spinta prodotta o accende o spegne il motore. La capacità di ottimizzare la forza prodotta rende i motori a razzo a combustibile liquido la scelta preferita per i propulsori che forniscono manovrabilità su veicoli spaziali o missili. 

Motori a razzo a combustibile solido: i motori a razzo a propellente solido utilizzano una miscela di ossidante solido e combustibile solido, chiamata combustibile granulare. Il grano viene colato all'interno di un involucro cilindrico nel quale è presente un foro cilindrico lungo tutta la sua lunghezza, chiamato camera di combustione. I primi razzi a combustibile solido utilizzavano la polvere da sparo. Ora, il combustibile granulare utilizza un'ampia varietà di sostanze chimiche complesse. I due propulsori a razzo a combustibile solido dello Space Shuttle della NASA sono i più noti motori a razzo a combustibile solido. Molti sistemi d'arma utilizzano motori a razzo a combustibile solido a causa della lunga durata del propellente. Tuttavia, i motori a razzo a combustibile solido sono difficili da spegnere, riavviare e la regolazione della geometria degli ugelli è l'unico modo per regolare la quantità di spinta prodotta. 

Motori a razzo ibridi: i motori a razzo a propellente ibrido utilizzano un combustibile solido e un ossidante liquido o gassoso. L'ossidante, solitamente ossigeno liquido o acqua ossigenata, viene iniettato nella camera di combustione cilindrica che corre lungo tutta la lunghezza del cilindro. Poiché il flusso dell'ossidante può essere avviato, arrestato e variato durante il funzionamento, i motori a razzo ibridi offrono maggiore flessibilità rispetto ai motori a razzo a combustibile solido. 

Motori a vapore

La prima forma di propulsione meccanica sviluppata dall'uomo fu il motore a vapore. La combustione viene utilizzata come fonte di calore per far bollire l'acqua, creando vapore ad alta pressione. Il vapore pressurizzato spinge contro uno o più pistoni per creare una forza lineare. Una manovella converte la forza lineare in forza rotazionale, chiamata coppia, che aziona una ruota o un'elica come propulsore. 

Turbine a vapore

Un modo più efficiente per estrarre energia dal vapore è espanderlo attraverso una turbina anziché spingere un pistone. La turbina pressurizzata spinge contro le pale aerodinamiche di uno o più rotori, convertendo la pressione in forza rotazionale collegata alle ruote o a un'elica attraverso un albero. Attualmente i motori a vapore vengono utilizzati solo in applicazioni marine, in cui la fonte di calore è un reattore a fissione nucleare. 

SWaP-C

Gli ingegneri vogliono ridurre le dimensioni e il peso dei sistemi di propulsione fornendo al contempo la quantità di potenza richiesta. Devono anche mantenere i costi al minimo. Questa combinazione di obiettivi spesso contrastanti è chiamata SWaP-C, che rappresenta dimensioni, peso, potenza e costo. 

Esperienza, simulazione e test sono gli strumenti principali utilizzati dagli ingegneri per gestire questi compromessi. La simulazione in particolare è particolarmente adatta per provare diversi materiali, ottimizzare la geometria e prevedere e massimizzare la potenza prodotta da un sistema. Ad esempio, i team di progettazione dei motori a turbina utilizzano uno strumento come il software Ansys Mechanical™ per ottimizzare la forma delle strutture statiche e rotanti. Successivamente, utilizzano il software Ansys Fluent® per ottimizzare l'energia prodotta dalla combustione e la forma aerodinamica dell'ingresso, delle pale rotanti e statiche e degli ugelli. 

Uno strumento importante per facilitare questo processo includendo il fattore costo negli studi è un robusto strumento di ottimizzazione della progettazione (RDO) come il software Ansys optiSLang® che esamina l'ottimizzazione del sistema da una prospettiva fisica neutrale e collega la simulazione allo strumento di progettazione assistita da computer (CAD) utilizzato per definire parametricamente la geometria. 

Durata

Una volta soddisfatti i requisiti SWaP-C, gli ingegneri devono garantire che i loro progetti abbiano la durabilità necessaria per le loro applicazioni. Gli operatori del sistema di propulsione non solo vogliono ridurre al minimo i costi di manutenzione e i tempi di fermo, ma devono anche evitare guasti. Prendiamo il sistema di propulsione del motore elettrico utilizzato nelle odierne locomotive ferroviarie ad alta velocità. Se il sistema di propulsione elettrica di un treno si guasta, l'operatore può perdere entrate significative e i pendolari possono subire notevoli ritardi. Inoltre, se il sistema di propulsione richiede frequenti riparazioni, i margini già esigui si ridurranno. La durabilità può diventare ancora più importante man mano che i fornitori passano a un servizio in abbonamento per i loro sistemi di propulsione, come Rolls-Royce offre ai suoi clienti di aerei di linea. 

Il guasto dei sistemi di propulsione nelle applicazioni aerospaziali può essere catastrofico e persino pericoloso per la vita. Ecco perché alcuni dei maggiori utilizzatori di strumenti di simulazione sono aziende che progettano e producono sistemi di propulsione aerospaziale. Trascorrono molto tempo esaminando i carichi strutturali e termici insieme alle vibrazioni per garantire che le sollecitazioni siano inferiori agli standard consentiti e che i componenti del sistema abbiano una durata a fatica accettabile.

Efficienza ed emissioni

All'epoca dello sviluppo dei primi sistemi di propulsione, l'unico obiettivo era portare a destinazione il veicolo che stavano alimentando e i passeggeri, il carico o il carico utile trasportati. Ora gli operatori si preoccupano dell'efficienza dei loro motori e delle emissioni prodotte. Molte aziende stanno adottando obiettivi net-zero per ridurre la propria impronta di carbonio. L'efficienza dei motori e delle turbine nel tempo mostra questa tendenza. I primi ICE a benzina avevano un'efficienza inferiore al 4% mentre ora si sono avvicinati al limite teorico di circa il 40%. 

Poiché la maggior parte dei sistemi di propulsione utilizza la combustione per creare calore, anche le emissioni rappresentano una preoccupazione. Rendendo i sistemi più efficienti si brucia meno carburante. Anche i rapporti di compressione, le temperature di combustione e la scelta del carburante contribuiscono alle emissioni e gli ingegneri devono ottimizzare attentamente ogni aspetto della loro progettazione per ridurre le emissioni di carbonio e altri inquinanti. 

La propulsione è ancora in rapida evoluzione in tutti i suoi diversi tipi e applicazioni. Gli ingegneri si concentrano principalmente sul miglioramento degli approcci esistenti e comprovati per ottimizzare le forze propulsive di un veicolo. Tuttavia, alcune nuove tecnologie di propulsione sono in fase di sviluppo. 

Sistemi di propulsione ibrida

La combinazione di due o più sistemi di propulsione in un'applicazione, nota come sistemi di propulsione ibrida, è uno degli obiettivi principali della ricerca attuale e si stanno producendo applicazioni pratiche. La proliferazione dei veicoli ibridi plug-in ne è l'esempio più evidente. L'aviazione commerciale sta esplorando attivamente l'uso di soluzioni di propulsione ibrida-elettrica e ibrida a idrogeno per gli aerei. Anche la propulsione ibrida a razzo sta guadagnando popolarità per il lancio, le applicazioni di difesa e i propulsori di manovra in orbita.

Propulsione a razzo nucleare

La propulsione a razzo nucleare sostituisce il riscaldamento del fluido di lavoro attraverso la combustione chimica con un reattore nucleare. Questa tecnologia è stata originariamente sviluppata negli anni '60 e il programma originale Ansys agli elementi finiti affonda le sue radici in quel programma. La NASA sta rivalutando la tecnologia per fornire propulsione per missioni ad alta spinta tra la Terra e Marte. 

Sistema di propulsione a ciclo combinato a razzo (RBCC) e a ciclo combinato a turbina (TBCC)

I ricercatori stanno esplorando la combinazione di uno scramjet con un motore a turbina o un razzo. Il motore a razzo o turbogetto accelera il veicolo fino a una velocità sufficientemente elevata da consentire il funzionamento dello statoreattore. I TBCC sono preferiti per velocità supersoniche inferiori e gli RBCC sono in fase di studio per ottenere prestazioni maggiori. 

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