Generalità sulla propulsione chimica

Generalità sulla propulsione chimica

La propulsione può essere definita, in senso lato, come la capacità di modificare il moto di un corpo e consiste nel produrre una forza che permette al corpo di muoversi, se inizialmente fermo, di cambiare la sua velocità o di mantenerla in presenza di una forza di resistenza e di arrestarsi.

Nella propulsione a razzo questa forza, o spinta, viene generata espellendo un fluido di lavoro, o propellente, ed è utilizzata per il lancio, per l'inserimento ed il mantenimento in orbita e per il controllo d'assetto. Gli elementi fondamentali di un propulsore sono: il propellente con il serbatoio e l'impianto d'alimentazione, la fonte d'energia e il dispositivo di conversione, il processo accelerativo.

Una soddisfacente classificazione dei propulsori può basarsi sulla distinzione delle fonti d' ener- gia sfruttate e dei processi accelerativi impiegati per ottenere la spinta. In base alla fonte d' energia si ha la seguente distinzione:

chimica, derivante da una reazione chimica esotermica;

elettrica, derivante da processi termoelettrici, fotovoltaici o di ossidoriduzione;

nucleare, derivante dalla fissione o dalla fusione nucleare.

In base al processo accelerativo, si ha la seguente distinzione:

gasdinamico il propellente, contenuto in un ambiente ad elevata pressione, è accelerato tramite un'espansione in un condotto dalla sezione opportunamente sagomata, detto ugello;

elettrostatico un gas elettricamente carico è accelerato da un campo elettrico;

. elettrodinamico un fluido globalmente neutro, o plasma, è accelerato dall'interazione tra la corrente ed il campo magnetico, prodotto dalla corrente stessa o imposto dall' esterno.

La propulsione chimica è stata indubbiamente la più utilizzata per le applicazioni spaziali nel passato; ancora oggi buona parte della propulsione spaziale si ottiene sfruttando l'energia prodot- ta dalla reazione chimica di uno o più propellenti. A seconda dello stato fisico del propellente è possibile distinguere differenti propulsori chimici.

Razzi a propellente solido Il propellente solido, o grano, è costituito da un'adeguata com- binazione di combustibile ed ossidante che brucia quando è sufficientemente riscaldata. L'intero grano è contenuto all'interno della camera di combustione.

Razzi a propellente liquido. Possono suddividersi ulteriormente in:

- monopropellente si sfrutta la decomposizione, attivata da una superficie catalitica, di un propellente per produrre gas ad alta temperatura;

- bipropellente : si sfrutta la reazione di combustione tra il combustibile e l'ossidante, inizialmente contenuti in serbatoi a bassa pressione e successivamente introdotti nella camera di combustione a pressioni elevate grazie ad un gas pressurizzante o ad una turbopompa.

Razzi ibridi. Si usano insieme un propellente solido ed uno liquido: ad esempio, un ossidante in fase liquida è iniettato nella camera di combustione contenente un grano solido e la reazione chimica produce gas caldi.

I propulsori chimici e più in generale tutti i propulsori possono confrontarsi sulla base di alcuni parametri: la spinta; l'impulso specifico, definito come il rapporto tra la spinta generata e la portata ponderale di propellente; la velocità efficace di scarico. Nella tabella 1.1 si riportano i valori tipici dell'impulso specifico per i differenti propulsori chimici.

Tabella 1.1: Valori tipici dell'impulso specifico per i propulsori chimici.