Razzi Steampunk? Razzi a vapore

Per quanto possa essere affascinante l’idea di avere razzi a vapore, ciò è veramente utile con le attuali tecnologie? Scopriamolo insieme approfondendo un po’ la scienza dietro un lanciatore orbitale.

ARCA è una azienda aerospaziale privata romena nota per essere stata incaricata dall’ESA del test del sistema il controllo del Fu Lander Schiaparelli. L’ASI mosse le accuse di essere stati i responsabili del fallimento della missione. Successivamente al tragico schianto sulla superficie marziana, e trasferitasi negli USA, stanno proponendo questo design di razzi a vapore che dovrebbe funzionare come lanciatore nei i primi chilometri.

Perché il vapore?

Perché secondo loro è più ecologico e meno inquinante. Da un certo punto di vista è senza dubbio vero. Infatti nei fumi, oltre ai prodotti di combustione CO2(g) e H2O(g), sono presenti incombusti ed altri composti tossici. Infatti la ricerca scientifica nella propulsione spaziale ed aeronautica è attiva anche nello sviluppo di propellenti più green degli attuali, e di ottimizzare i parametri dei reattori per ottimizzare la qualità di combustione, diminuendo la quantità di incombusti.

Il problema delle basse temperature

In questo sistema presentato da ARCA, il vapore presente nel serbatoio viene riscaldato a qualche centinaio di gradi centigradi di temperatura da delle resistenze elettriche alimentate da terra prima del volo. Così immagazzina l’energia termica che rilascerà nell’ugello al momento del volo. Una temperatura così bassa è un problema, vediamo il perché:


Una volta aperta la valvola, il vapore acqueo saturo viene spinto ad alta pressione attraverso l’ugello convergente-divergente che trasforma l’energia termica in energia cinetica. A causa del basso salto di temperatura, mentre il vapore espande nel divergente la sua temperatura diminuisce e si condensa. In poche parole, parte della sua energia termica (entalpia) viene “consumata” dal processo di condensazione (calore latente di condensazione) durante il salto entalpico. Ciò fa si che il getto sia espulso ad una velocità inferiore.

Influisce anche il fatto che le gocce d’acqua condensate, avendo una massa molto maggiore raggiungono una velocità minore rispetto alle molecole sotto forma di gas. Il problema dunque è che non si trova a migliaia di gradi come la miscela di CO2(g) e H2O(g) prodotti nella camera di combustione di un endoreattore.

Efficienza Propulsiva

Vediamo come la bassa velocità del getto influisce sulla spinta e l’efficienza della spinta.

La spinta fornita dal propulsore è dovuta proprio alla velocità del getto propulsivo, attraverso il terzo principio della dinamica. Infatti può essere scritta come

Dove l’m con il punto sopra indica la portata in massa che esce dal propulsore (kg/s), mentre la ue indica la velocità di uscita del getto (m/s).
A parità di massa espulsa, maggiore è la velocità con cui esce dall’ugello e maggiore sarà la spinta, e di conseguenza maggiore l’Impulso fornito dal propulsore.
Per questo vengono classificati i propulsori a getto attraverso un parametro che viene chiamato Impulso Specifico Ponderale, o Isp per gli amici, che viene misurato in secondi. E’ la misura che tiene conto dell’efficienza propulsiva, come rapporto fra la Spinta fornita dal propulsore ed il peso della portata di gas espulsi per ottenerla. Un approfondimento su come funziona la propulsione, lo trovate qui:

L’Efficienza Propulsiva per classificare i propulsori

Tanto maggiore è l’ Isp, e tanto efficiente è il propulsore. Significa che per fornire la stessa spinta, necessita di meno propellente.
Mediamente, un propulsore a propellente liquido ha un Isp che si aggira sui 450 s nel vuoto e 350 s a livello del mare (a causa della presenza di pressione ambiente che impedisce ai gas di espandersi adeguatamente). Un propulsore elettrico d’uso spaziale nell’ordine delle migliaia di s, ed essenzialmente se vogliamo espanderci nello spazio abbiamo bisogno di propulsori con un Isp sempre maggiore, perché, diminuiscono i consumi, e si può giungere più lontani ed in generale effettuare più manovre. Aumenta quindi l’autonomia dei veicoli spaziali.
Facendo un paragone con i veicoli, sarebbe come preferire di avere un’automobile che compie molti più chilometri con un litro rispetto a quella che si ha.

L’Efficienza Propulsiva di questi razzi a vapore

Se andiamo a vedere l’ Isp dei razzi a vapore qui proposti, si osserva che è veramente basso (nei test statici del loro Aerospike raggiunge i 20 s ed i primi lanciatori dovrebbero [condizionale] raggiungere i 60 s, secondo quanto affermato nel video che vi rimandiamo a fine articolo).
Eppure l’ARCA afferma che l’ Isp non è indicativo per un propulsore a vapore. Affermazione un po’ azzardata. Infatti puntano sulla elevata portata in massa di un sistema del genere. Il problema è che seppur ci sia una grossa variazione di massa, grazie a tutto quel vapore espulso, comunque la velocità del getto è molto bassa. Cioè, l’esperienza ci dimostra proprio il contrario!

Tabella tratta dal video. Sotto la colonna “Classic Engine”, ci si riferisce al precedente modello sviluppato da ARCA di propulsore a vapore con ugello convergente-divergente. Immagine tratta dal video allegato a fine articolo.

Ugelli supersonici con getti subsonici

Un ugello convergente-divergente, si usa quando il getto esce a velocità supersoniche. E’ formato da due parti: il convergente, ed il divergente. Questa condizione si ottiene quando il flusso viene compresso nel convergente (a causa della progressiva diminuzione della sua sezione), aumentandone la velocità finché non raggiunge Mach 1 nella sezione di gola, portandosi nella condizione di choked flow (flusso strozzato). E’ la condizione che limita la portata di gas attraverso la gola, che raggiunge il suo valore massimo. A valle della gola, nel divergente, avviene l’espansione del gas e l’aumento di velocità, dovuta alla conversione di energia termica in energia cinetica del getto. Quindi un ugello convergente-divergente (effusore), è la forma da conferire al condotto per portare il gas a velocità supersonica. Con un flusso subsonico che non raggiunge la condizione di choked flow in gola, conviene usare solo il convergente.

Come un ugello convergente-divergente si comporta a seconda dei differenti modelli di flusso. Fonte

Un Aerospike è un particolare tipo di ugello C-D meno sensibile alla pressione ambiente. Infatti questa si contrappone all’espansione dei gas diminuendone la velocità finale e di conseguenza la spinta. Grazie a questa geometria inversa del divergente, facendo scivolare i gas del getto lungo le pareti dello stesso, riesce a mantenere l’efficienza a qualsiasi altitudine.

L’Aerospike lineare XRS-2200 che sarebbe dovuto essere montato sul prototipo di spazio plano X-33. Fonte

La velocità di uscita di questi razzi a vapore

Attraverso un semplice calcolo è possibile stimare la velocità di getto all’uscita dal divergente del propulsore proposto da ARCA attraverso i loro stessi dati. ue si calcola come:

Ue = g0 . Isp

Dove g0 è l’accelerazione di gravità al livello del mare, cioè 9,81 m/s2
Quindi, basta moltiplicare i valori ricavati, per scoprire che con un Isp di 20 s la velocità di getto è abbondantemente nel regime subsonico, per cui basterebbe usare solo l’ugello convergente, similmente a qualsiasi razzo ad acqua. Qualquadra non cosa!
L’Aerospike aiuta sensibilmente permettendo al getto di uscire con una velocità maggiore rispetto al tradizionale ugello a campana.

In Conclusione

L’acqua potrebbe essere comunque sfruttata realmente come propellente, ma bisognerebbe riscaldarla a temperature e pressioni tali da rendere il vapore, un vapore secco, ovvero un gas, così che si condensi quando già è fuori l’ugello ed a bassa pressione. Per far ciò bisognerebbe portarla a temperature di migliaia di gradi, comparabili a quelle della camera di combustione di un classico endoreattore, non poche centinaia di gradi.

Per far ciò si potrebbe sfruttare un propulsore Termo Nucleare, similmente al NERVA, per cui fu inizialmente proposta realmente l’acqua come propellente! Infine si scese di usare l’idrogeno poiché la massa dell’idrogeno molecolare [H2] (circa 2 g/mol) è molto minore quella della molecola di acqua [H2O] (18 g/mol) e quindi ogni molecola verrebbe spinta ad una velocità maggiore, oltre al fatto che dissociandosi in idrogeno gassoso alle alte temperature, per lo stesso ragionamento di sopra, avrebbe provocato un aumento di Isp e quindi efficienza.

In Copertina: Scatto del vapore in espansione durante uno dei test

[EDIT: Articolo aggiornato il 27-02-2021]

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