La storia dei motori a reazione
Fin dal mito di Icaro, che crea le ali con le piume di un uccello e vola, si è cercato di capire il modo in cui alcune specie prendono il volo per riprodurlo con le macchine. Leonardo da Vinci sviluppò i primi concetti nel XVI secolo. Ma all’epoca l’unica forza motrice conosciuta era quella dei muscoli umani. I principi fondamentali che in seguito ci avrebbero permesso di capire come volano gli aerei sarebbero apparsi solo nel XVII e XVIII secolo, con scienziati come Newton e Bernoulli. Nel XIX secolo, la rivoluzione industriale portò a una serie di progressi tecnici. Il francese Clément Ader fu il primo a far decollare un aereo con un motore a vapore, ispirandosi a un pipistrello. Un decennio dopo, nel 1903, i fratelli Wright effettuarono il primo volo controllato e motorizzato della storia.
Come funziona un motore a reazione
Il primo motore a reazione, o turboreattore, è stato progettato dai tedeschi nel 1939, anche se è il risultato di diversi secoli di ricerca. Il funzionamento dei motori utilizzati oggi è semplificato in questo video:
Il principio è semplice: l‘aria viene aspirata da un soffiatore, quindi compressa in modo permanente; passa poi in una camera di combustione dove reagisce con la paraffina e si accende. La reazione che ne deriva espande i gas, che vengono poi soffiati all’indietro attraverso un ugello, spingendo l’aereo in avanti. I gas escono dal motore ad altissima velocità, passando attraverso un motore a getto, la cui forma si restringe; uscendo dal motore a getto, i gas fanno girare una turbina, situata sullo stesso asse del compressore, subito dopo la camera di combustione. Il movimento della turbina provoca quello del compressore, consentendo alla reazione di avvenire in modo continuo. Le compagnie aeree cercano costantemente di migliorare le prestazioni delle camere di combustione per ridurre le emissioni degli aerei.
Le leggi del moto di Newton
Nel XVII secolo, Newton definì tre leggi fondamentali per spiegare il moto. La prima è il principio di inerzia, la seconda il principio di dinamica. La propulsione a reazione si basa sul principio di azione-reazione, secondo il quale per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria. Pertanto, l’aria espulsa all’indietro eserciterà una forza uguale e contraria sull’aereo, spingendolo in avanti. Questa forza è chiamata spinta. La legge di Newton spiega anche come volano gli aerei: se l’ala esercita una forza sull’aria (il suo peso, verso il basso), l’aria esercita una forza opposta sull’ala, chiamata portanza (verso l’alto). Compensando queste forze, l’aereo si mantiene in volo.
Il primo motore a reazione
Nel 1731, l’inglese John Barber iniziò a registrare i brevetti di una turbina a gas a combustione interna, precursore del motore a turbogetto. Il suo motore consisteva in un compressore, una camera di combustione e una turbina, tutti alimentati da una sostanza infiammabile. Lo sviluppo della turbina a gas fu poi ritardato dal successo della turbina a vapore. Infine, dopo il lavoro del rumeno Henri Coandă e del francese Maxime Guillaume negli anni Trenta, fu un britannico, Sir Frank Whittle, a rivoluzionare il trasporto aereo con la propulsione a turbogetto. Invece di utilizzare un motore a pistoni per comprimere l’aria, Whittle optò per una turbina a valle che utilizzava l’energia fornita dai gas di scarico per azionare il compressore. I primi motori a turbogetto furono sviluppati contemporaneamente in Inghilterra e in Germania. Il tedesco Hans Von Ohain sviluppò il primo motore a reazione per l’azienda Heinkel nel 1939. Il primo aereo a reazione fu l’Heinkel He-178, utilizzato per il combattimento. Tuttavia, il primo volo fu interrotto quando un uccello fu risucchiato nel motore. La corsa agli armamenti durante la Seconda guerra mondiale accelerò la nascita dell’aviazione moderna. Gli Stati Uniti e l’Unione Sovietica si misero al passo alla fine della guerra, seguiti dalla Francia, che era stata frenata dall’occupazione tedesca.
I primi aerei civili a utilizzare motori a reazione apparvero negli anni ’50 Heinkel He-178 – Photo credit: Wikimedia Commons
I diversi tipi di motori a reazione
In generale, i motori a turbogetto convertono l’energia chimica contenuta nel carburante in energia cinetica. Lo sviluppo dei motori a turbogetto ha rappresentato fin dall’inizio una sfida importante, sia in ambito militare che civile. I motori a reazione di oggi sono molto più complessi rispetto al passato. Ad esempio, sono dotati di inversori di spinta, che servono a frenare l’aereo. Esistono diverse sottocategorie di motori a reazione:
- Motori a reazione a compressore centrifugo
- Motori a reazione a compressore assiale
- Motori a reazione con bypass
- Motori a getto d’aria
- Motori a turboelica
- Motori a turbina libera
I motori sopra descritti sono turboreattori a compressore centrifugo. Sono semplici da costruire e robusti, ma lo svantaggio è che richiedono un motore di grande diametro, che riduce la velocità finale dell’aereo. Sono stati quindi inventati i turboreattori assiali. L’aria viene compressa attraverso una serie di eliche e l’efficienza è migliore, ma questo richiede materiali più avanzati. In entrambi i casi, il motore deve essere in grado di resistere a temperature fino a 2000°C. In un motore turbofan, una ventola è posizionata davanti al compressore. Aspira una maggiore quantità di aria, che viene poi suddivisa in un flusso primario e in uno secondario. Il flusso primario passa attraverso la camera di combustione, quindi è un flusso di aria calda. Il flusso secondario viene espulso direttamente su entrambi i lati del motore; è un flusso di aria fredda che fornisce l’80% della spinta. All’uscita, l’aria fredda si mescola con l’aria calda, provocando un raffreddamento.
Questo sistema è utilizzato sulla maggior parte degli aerei commerciali per migliorare la spinta e ridurre la rumorosità del motore. Motore turbofan – Photo credit: Wikipedia I motori a getto d’aria sono ora utilizzati su jet da combattimento e missili perché possono raggiungere velocità molto elevate. La loro spinta è maggiore perché il carburante viene reiniettato nella camera di combustione, un processo noto come postcombustione. Inoltre, non hanno parti mobili e sono quindi leggeri. Gli svantaggi sono che non possono funzionare al di sotto di una certa velocità e che la temperatura è molto elevata, insostenibile nel tempo per molti materiali. Inoltre, per funzionare, devono essere dotati di una velocità iniziale. I motori a getto supersonico possono raggiungere velocità supersoniche. Il motore del Concorde era un ibrido tra un turboreattore e un ramjet. I turboreattori aumentano la loro spinta espellendo quanto più gas possibile. Questo non è il caso dei turbopropulsori. Questi ultimi si affidano alla potenza di rotazione di un’elica, fissata all’esterno dell’aereo, per fornire la maggior parte della spinta. I turboelica rappresentano la soluzione più economica per i voli a corto raggio. Sono più efficienti e consumano meno carburante, ma sono limitati in termini di altitudine e distanza.
Se volete saperne di più sui diversi modelli di turboelica, date un’occhiata a questa pagina Photo credit: Wikimedia Commons I motori turboelica sono stati progettati per gli elicotteri. Come i motori a turbogetto, sono dotati di una turbina. Gli elicotteri prodotti oggi, come il Dauphin, hanno una turbina libera. Questa trasforma l’energia cinetica e termica dei gas di scarico in energia meccanica. Inoltre, consentirà alle pale dell’elicottero di ruotare a una velocità diversa da quella del compressore, garantendo così la stabilità dell’aeromobile.
