Razzi Steampunk?

Per quanto possa essere affascinante l’idea di avere razzi steampunk, ciò è veramente utile con le attuali tecnologie?

ARCA è una azienda aerospaziale privata romena nota per il fatto che l’ESA le ha affidato il controllo del sistema di atterraggio del Fu Lander Schiaparelli e contro cui l’ASI mosse le accuse di essere stati i responsabili del fallimento della missione. Successivamente al tragico schianto sulla superficie marziana, sono andati a cercare maggior successo negli USA, in cui stanno proponendo questo concept di razzo “a vapore” che dovrebbe funzionare come lanciatore per 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, dato che nei fumi, oltre ai prodotti di combustione CO2(g) e H2O(g), sono presenti incombusti ed altri composti tossici, similmente a quanto avviene per un motore con ciclo Otto e Diesel. Infatti la ricerca scientifica nel settore della 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.

A differenza di un classico propulsore chimico, qui il vapore, portato (solo) a qualche centinaio di gradi centigradi di temperatura, immagazzina l’energia termica che rilascerà nell’ugello.
Una volta aperta la valvola, il vapore acqueo saturo viene spinto dalla sua alta pressione attraverso l’ugello convergente-divergente che trasforma l’energia termica in energia cinetica, ma a causa del basso salto di temperatura (non si trova a migliaia di gradi come la miscela di CO2(g) e H2O(g) prodotti nella camera di combustione di un endoreattore), mentre 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, a cui segue quindi un’inferiore energia cinetica ed una minor velocità per il getto propulsivo. Oltre a ciò influisce nell’aver una minor velocità del flusso uscente anche il fatto che le gocce d’acqua condensate, avendo una massa molto maggiore ricevono a parità di spinta un’accelerazione minore e dunque raggiungono una velocità minore rispetto alle molecole sotto forma di gas.
La spinta fornita dal razzo è dovuta proprio alla velocità del getto propulsivo, perché dovuta al terzo principio della dinamica (scambio di quantità di moto, che nel sistema “spingitore-spinto” rimane sempre nulla).

A parità di massa spinta, maggiore è la velocità a cui la si accelera 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.
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). 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 a parità di propellente trasportato, 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.

Se andiamo a vedere l’ Isp di questo sistema proposto, 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, dato 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.

Inoltre, un ugello convergente-divergente, si usa quando il getto esce a velocità supersoniche, ovvero quando la velocità del getto raggiunge Mach 1 nell’area di gola, portandosi nella condizione di choked flow, condizione in cui la portata in massa nella sezione di gola è massima e segue l’espansione e l’aumento di velocità nella sezione divergente. Quindi un ugello convergente-divergente (effusore), è la forma che permette di avere a velocità supersoniche la massima efficienza rispetto ai soli convergente o soli divergente, e come detto sopra, trasforma l’energia termica (entalpia) del propulsore in energia cinetica del getto, cioè in velocità del getto, che grazie al III principio della dinamica, esercita la spinta.

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

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. vjet si calcola come:

vjet = 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 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

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