Come funziona un motore a reazione e quali sono i diversi tipi?

Dai sogni audaci di Icaro agli aerei supersonici di oggi, l’uomo non ha mai smesso di superare i limiti del cielo.

Al centro di questa conquista aerea c’è un’invenzione rivoluzionaria: il motore a reazione. Potente, complesso e affascinante, questo capolavoro di ingegneria trasforma la semplice combustione in una forza fenomenale capace di spingere centinaia di tonnellate tra le nuvole.

Ma come funziona davvero? Quali principi fisici e innovazioni storiche lo hanno reso possibile?

Immergetevi nelle viscere di questi giganti della meccanica, dove la scienza incontra la potenza pura, e scoprite l’incredibile storia dei motori che hanno cambiato il mondo.

La storia dei motori a reazione: un’epopea scientifica e tecnica

Fin dall’antichità, l’uomo ha sognato di conquistare i cieli. Il mito di Icaro, che vola con ali fatte di piume di uccello, illustra questa antica ricerca. Ma solo secoli dopo la scienza e la tecnologia hanno trasformato questo sogno in realtà.

Gli inizi teorici (16ᵉ-18ᵉ secoli)

Nel 16ᵉ secolo, Leonardo da Vinci abbozzò le prime macchine volanti ispirate agli uccelli. All’epoca, tuttavia, l’unica forza motrice disponibile era ancora quella muscolare. Le basi scientifiche del volo emergeranno solo nel 17ᵉ e 18ᵉ secolo grazie al lavoro di :

• Isaac Newton (leggi della dinamica),
• Daniel Bernoulli (principio della portanza aerodinamica).

Le prime realizzazioni (19ᵉ secolo)

La rivoluzione industriale aprì la strada a esperimenti concreti:

• Nel 1890, il francese Clément Ader riuscì a far decollare il suo Éole, un aereo a vapore ispirato al volo dei pipistrelli. Sebbene non fosse molto manovrabile, fu un passo avanti fondamentale.
• Il 17 dicembre 1903, i fratelli Orville e Wilbur Wright compiono il primo volo a motore e controllato con il loro Flyer, alimentato da un motore a combustione interna.

L’avvento del motore a reazione (20ᵉ secolo)

Sebbene i primi aerei utilizzassero eliche, i limiti di questa tecnologia spinsero gli ingegneri a cercare un’alternativa. Il lavoro sulla propulsione a getto iniziò negli anni Trenta, con pionieri come:

• Frank Whittle (Regno Unito),
• Hans von Ohain (Germania).

Il primo aereo a reazione operativo, il Messerschmitt Me 262, entrò in servizio nel 1944, rivoluzionando l’aviazione moderna.

Oggi i motori a reazione alimentano la maggior parte degli aerei civili e militari, offrendo velocità, potenza ed efficienza. Questa storia di audacia e innovazione mostra come l’uomo abbia superato i limiti del possibile.

Come funziona un motore a reazione

Origine e sviluppo

Il primo motore a reazione, o turbogetto, fu progettato dai tedeschi nel 1939. Tuttavia, era il risultato di diversi secoli di ricerca.

Il funzionamento dei motori utilizzati oggi viene semplificato in questo video:

Il principio di base

il funzionamento di un motore a reazione si basa su una sequenza precisa:

1. Aspirazione e compressione

L’aria viene aspirata da una ventola e poi compressa in modo continuo.

2. La combustione

L’aria compressa entra nella camera di combustione, dove viene miscelata con la paraffina e accesa. La reazione che ne deriva espande i gas ad alta temperatura e pressione.

3. Espansione e propulsione

I gas espansi vengono espulsi all’indietro ad altissima velocità attraverso un ugello convergente (che si restringe), creando una spinta in avanti (secondo il principio di Newton: azione-reazione).

4. Alimentazione continua

Quando i gas escono dal compressore, azionano una turbina situata sullo stesso asse del compressore. Il movimento della turbina provoca il movimento del compressore, permettendo al ciclo di continuare finché il motore è alimentato.

Supporto aerodinamico

La sola propulsione non è sufficiente: è la circolazione dell’aria sulle ali che genera la portanza necessaria a far volare l’aereo.

Le sfide attuali

Le compagnie aeree e i produttori di aeromobili sono costantemente impegnati a:

• Ridurre le emissioni (CO₂, particelle) ottimizzando le camere di combustione.
• Migliorare l’efficienza del carburante, ad esempio con motori ad alto rapporto di bypass (come i motori turbofan).
• Ridurre il consumo di carburante, una delle principali sfide economiche e ambientali.

Per una visione semplificata, questo video spiega il processo.

Le leggi del moto di Newton

Nel 17ᵉ secolo, Isaac Newton stabilì tre leggi fondamentali che regolano la meccanica classica:

1. Il principio di inerzia: un corpo rimane in quiete o in moto rettilineo uniforme a meno che una forza non agisca su di esso.
2. Il principio della dinamica: la forza esercitata su un oggetto è uguale alla sua massa moltiplicata per la sua accelerazione (F = m × a).
3. Il principio dell’azione reciproca (o azione-reazione): Per ogni azione esiste una reazione corrispondente, di intensità uguale ma di direzione opposta.

Applicazione alla propulsione a getto

La terza legge di Newton è alla base del funzionamento dei motori a reazione. Quando un aereo espelle gas all’indietro ad alta velocità, questi esercitano una forza di reazione (spinta) che spinge l’aereo in avanti. Più veloce e massiccio è il getto di gas, maggiore è la spinta.

Volo e portanza dell’aereo

Questa stessa legge spiega anche come un aereo si mantiene in volo:

• Le ali, per la loro forma e inclinazione, esercitano una forza verso il basso sull’aria (azione).
• In risposta, l’aria esercita una forza opposta verso l’alto, chiamata portanza, che compensa il peso dell’aereo.

In questo modo, la compensazione delle forze (spinta, resistenza, portanza e peso) consente un volo stabile e controllato.

(Nota: questi principi sono essenziali anche in astronautica, dove la propulsione dei razzi si basa interamente sull’espulsione dei gas secondo la terza legge di Newton)

Il primo motore a reazione: una rivoluzione aeronautica

Gli inizi: John Barber e la turbina a gas (1731)

Già nel 1731, l’inglese John Barber, depositando il brevetto di una turbina a gas a combustione interna, elaborò un concetto precursore del motore a turbogetto.

Il suo motore conteneva già gli elementi chiave: un compressore, una camera di combustione e una turbina, alimentati da carburante.

Purtroppo, le tecnologie dell’epoca non producevano una potenza sufficiente per farlo funzionare correttamente.

Lo sviluppo delle turbine a gas fu poi eclissato dal successo delle turbine a vapore, all’epoca più efficienti. Solo nel XXᵉ secolo l’idea riemerse.

L’era moderna: Whittle, Von Ohain e la propulsione a reazione

Negli anni Trenta, il lavoro del rumeno Henri Coandă e del francese Maxime Guillaume ravvivò l’interesse per la propulsione a getto. Ma fu l’ingegnere britannico Sir Frank Whittle a rivoluzionare il settore.

Nel 1937, Whittle progettò un innovativo motore a turbogetto: invece di utilizzare un motore a pistoni per comprimere l’aria, installò una turbina a valle, sfruttando l’energia dei gas di scarico per azionare il compressore. Questa architettura rendeva il motore più potente ed economico rispetto ai modelli a pistoni.

Quasi contemporaneamente, il tedesco Hans von Ohain sviluppò un motore simile per l’azienda Heinkel. Nel 1939, l’Heinkel He-178 divenne il primo aereo a reazione del mondo. Tuttavia, il suo volo inaugurale fu interrotto quando un uccello fu risucchiato nel motore.

La corsa agli armamenti e l’ascesa dell’aviazione moderna

La Seconda guerra mondiale accelerò il progresso tecnologico. La Germania e il Regno Unito erano in corsa per le prestazioni, mentre gli Stati Uniti e l’URSS li raggiunsero rapidamente dopo il 1945. La Francia, ritardata dall’occupazione, si unì alla competizione più tardi.

Negli anni Cinquanta, i motori a turbogetto furono montati sui primi aerei civili, segnando l’inizio di una nuova era nel trasporto aereo.

Questa innovazione, nata da una successione di fallimenti e scoperte, trasformò definitivamente l’aviazione, offrendo aerei più veloci, più efficienti e più affidabili.

Heinkel He-178 – Credito fotografico: Wikimedia Commons

Quali sono i diversi tipi di motori a reazione?

Esistono diverse categorie di motori a reazione, ognuna delle quali si adatta a esigenze specifiche:

1. Motori a turbogetto

In generale, i motori a turbogetto convertono l’energia chimica contenuta nel carburante in energia cinetica.

Fin dall’inizio, lo sviluppo dei motori a turbogetto ha rappresentato una sfida importante, sia nel settore militare che in quello civile.

Si dividono in due sottotipi:

• Motori a turbogetto con compressore centrifugo: i motori a turbogetto con compressore centrifugo sono semplici da produrre e robusti. Tuttavia, richiedono un motore di grande diametro, che riduce la velocità finale del velivolo.
• Motori a turbogetto a compressore assiale: sono più potenti grazie a una serie di eliche che comprimono l’aria. Tuttavia, richiedono materiali più avanzati.

In entrambi i casi, il motore deve essere in grado di resistere a temperature fino a 2000°C.

2. Motori turbofan

In un motore turbofan, una ventola è posizionata davanti al compressore. Aspira una maggiore quantità di aria, che viene poi suddivisa in due flussi:

• Flusso primario: il flusso primario passa nella camera di combustione, quindi è un flusso di aria calda.
• Flusso secondario: 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 il rumore del motore.

Motore bypass – Credito fotografico: Wikipedia

3. Ramjet

I motori a getto d’aria sono ora utilizzati su jet da combattimento e missili perché possono raggiungere velocità molto elevate.

• Vantaggi: 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.
• Svantaggi: Richiedono una velocità iniziale per funzionare e non sopportano bene le temperature estreme nel tempo.

I motori a reazione superstar (come l’ibrido turbogetto/ramjet del Concorde) raggiungono velocità supersoniche.

4. Motori a turboelica

I motori a turbogetto aumentano la loro spinta espellendo la maggior quantità di gas possibile. Questo non è il caso dei turboelica.

I turboelica 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.

Per saperne di più sui diversi modelli di turboelica, visitate questa pagina.

Credito fotografico: Wikimedia Commons

5. Motori turboalbero (per elicotteri)

I motori turboalbero 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.