prof. Renato Barboni "Fondamenti"

Fondamenti di Aerospaziale

Prof. Renato Barboni

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Forme di Energia• Muscolare (0,07 kW)• Meccanica: a)cinetica; b)potenziale. • Gravitazionale: attrazione newtoniana.• Termica: è l’energia cinetica caotica legata ai

moti disordinati delle molecole del corpo. • Chimica: prodotta da processi chimici. • Elettrica: fornita dai generatori di corrente.• Elettromagnetica, Elettrostatica, Raggiante,

Eolica, Idraulica, ….

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Degradazione dell’energia

Primo principio della termodinamica: come si modifica l’energia interna “e” di un sistema: de=δq+δL

Secondo principio della termodinamica: concetto di entropia, la natura procede verso il massimo disordine.

Scala di “pregio” delle forme di energia in funzione della loro tendenza spontanea a trasformarsi in altre forme:

E.Potenziale ⇒ E.Cinetica ⇒ E.Termica

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I propulsori Aerospaziali(ad energia chimica)

• Propulsori ad elica (motoelica). La massa trattata è l’aria esterna: l’elica mossa da un motore si “avvita” nell’aria.

• Propulsori a getto. La massa è prima captata ed una volta trattata è espulsa sotto forma di getto ad elevata velocità. Vengono distinti in:−Aeroreattori (o esoreattori);−Endoreattori (o propulsori a razzo).

Propulsore: il complesso degli organi che trasmette ad un veicolo la forza capace di farlo muovere:

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Combustibili, Ossidanti e Propellenti

• Combustibile: sostanza che bruciata con ossigeno fornisce energia termica.

• Ossidante (o comburente): sostanza che fornisce l’ossigeno per la combustione.

• Propellente: opportuna miscela di sostanze combustibili, comburenti, additivi, … che produce una reazione con sviluppo di calore e grande quantità di gas combusti.

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Combustibili per l’aviazione

Prevalentemente combustibili liquidi (il comburente è l’aria) costituiti da miscele di idrocarburi (composti organici contenenti idrogeno e carbonio):−benzine (motoelica);−cheroseni (aeroreattori).

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I Propellenti

• Liquidi: (criogenici)Ossidanti:l’ossigeno, il fluoro, il perossido di idrogeno,

l’acido nitrico e il tetrossido d’azoto.Combustibili: l’idrogeno, l’idrazina, l’alcool etilico,

l’ammoniaca.−Mono-propellenti: miscela unica Combustibile+Ossidante;−Poli-propellenti: nel bi-propellente il Combustibile èstivato in un serbatoio distinto da quello dell’Ossidante; a contatto si accendono spontaneamente (prop. Ipergolico) o con idoneo dispositivo (prop. Anergolico).

spSp int aI ( )

Peso propellenteconsumato / Temseco

pondi=

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I Propellenti

• Solidi (anergolici) : sostanza unica già pronta per la combustione ottenuta dalla dosata combinazione di molecole di combustibile, ossidante, inibitori, …

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RendimentoEI : energia iniziale o inizialmente fornita;EU : energia utilizzata nel processo;EP : energia non sfruttata, detta impropriamente “persa”.EI (del propellente) ⇒ ET (camera di combustione)⇒ EC (espansione ed accelerazione) ⇒ EC (degradata)

U U I P P

I U P I I

E E E E E1E E E E E

−η = = = = −

+

U U I P P

I U P I I

P P P P P1P P P P P

−η = = = = −

+

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La SPINTANota: Sia i Prop. ad elica che i Prop. a getto

utilizzano il principio di azione e reazione.

mdu m(= = −T U V)UdL d dt TVdt m(U V)Vdt= • = • = = −T s T V

U TV m(U V)V= = −P2 2

P P1 1m(U V) m(U V)2 2

= − ⇒ = −E P

( )dm dm ddt dt mddt dt dt

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎛ ⎞= = =⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎝ ⎠

uF a u

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Motore alternativo

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1)Aspirazione 2)Compressione 3)Scoppio

4)Espansione 5)Scarico 6)Incrocio

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Ciclo di un motore alternativo

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Rendimento del motore alternativoU

gf

LLavoro utileLavoro fornito L

η = =

100%Totale10%Perdite meccaniche e varie38%Gas di scarico30%Raffreddamento22%Lavoro utile

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Grandezze caratteristiche del motore• Potenza al Freno• Coppia Motrice

• Consumo specifico

sF

Peso Combustibile / TempoCP

=

tRFM =Ft=Fbcos[90−(α+β)]=

=Fbsen(α+β)

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Curve Caratteristiche

N. giri

Potenza

Coppia motrice M

Consumo specifico Cs

A

E

B

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Potenza con la quota h 0h h

0 0 h

TP pP p T

=

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 4 8 12 16 20

h (km)

Ph/P0

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Potenza con la quota 0h h

0 0 h

TP pP p T

=

Rimedi per la caduta di Pz: Per ridurre la caduta di potenza con la quota occorre aumentare la pressione di alimentazione (sovralimentazione); questo può essere ottenuto con l’introduzione forzata di miscela combustibile nei cilindri rispetto a quella che sarebbe possibile con la normale aspirazione. In particolare si impiega:- un compressore collegato mediante una presa di forza al motore(compressore meccanico);- un compressore collegato ad una turbina messa in rotazione dai gas scarico (turbocompressore).Il motore è detto:−sovralimentato, quando la sovralimentazione ripristina la potenza solo in quota;−surcompresso, quando la sovralimentazione aumenta la potenza anche al livello del mare.

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Collegamento motore-elica

RV ω=

Motore

Elica

E

MME D

DGG =

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Rendimento Motoelica

V Elica

m

U

m

U

2P

P m(U V)V TV1 1P m(U V) T(U V)2 2

= − =⎧⎪⎨

= − = −⎪⎩

U

U P

P 2V 2P P 2V (U V) 1 U / V

η = = =+ + − +

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U

U P

P 2V 2P P 2V (U V) 1 U / V

η = = =+ + − +

0

0,4

1,0

0,2 0,4 0,6 0,8 1 V/U

η

0,6

0,2

A) Per U=costante:

a1) η>> per V>>;

a2) η=1 per V=U; condizione teorica : T= (U−V)=0.

B) Per V=costante:b1) η>> per du=(U−V)<<

b2) T>> per du=(U−V)>>

b3) T>> per >>

Per avere buon rendimento η (che aumenta con du) e buona trazione T (che diminuisce con du ed aumenta con dm/dt), occorre dare piccole variazioni di velocità du=(U−V) ad una consistente portata d’aria dm/dt.

m

m

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Potenza disponile Motore+ElicaD FMaxP P= η

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Potenza disponile Motore+ElicaD FMaxP P= η

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I propulsori Aerospaziali(ad energia chimica)

• Propulsori ad elica (motoelica). La massa trattata è l’aria esterna: l’elica mossa da un motore si “avvita” nell’aria.

• Propulsori a getto. La massa è prima captata ed una volta trattata è espulsa sotto forma di getto ad elevata velocità. Vengono distinti in:−Aeroreattori (o esoreattori):

−Endoreattori (o propulsori a razzo)

Autoreattore &PulsoreattoreTurboreattore⎧⎨⎩

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Autoreattore

Diffusore C. Combustione Ugello

V

UPresa

aerodinamica

Presa dinamica+diffusore: decelera l’aria captata fino ad circa M=0,2 con aumento di pressione.

Camera di combustione: la combustione riscalda (3.000 °C) l’aria captata che tende ad espandersi.

Ugello: dove avviene una espansione per portare i gas combusti a velocità U>V.

Per innescare il processo il mezzo deve possedere una velocità iniziale

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Pulsoreattore

Bocca di presa

Valvole

Candela

Iniettore

Camera di combustione Ugello

Simile all’Autoreattore per la presenza di: presa dinamica+diffusore, camera di combustione, ugello di scarico.

Diverso dall’Autoreattore per la presenza di valvole frontali che si aprono ad intermittenza

Per innescare il processo NON occorre una velocità iniziale

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Turboreattore (impiego aeronautico)

Presad’aria Compressore Turbina Ugello

Camere dicombustione

1

2 3

4

p

V

LC

Q1

3’

Q2

Compressione

Combustione Espansione in Turbina

Scarico

Espansione nell’ugello

LT ≡LC

LD

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Turboreattore: Jumo del 1940

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Rendimento del TurboreattoreA C A C A

U A C A

2P A C

T m (U V) m U (m m )U m VP TV [(m m )U m V]V

1P (m m )(U V)2

= − + = + −= = + −

= + −

2U

2 2 2U P

P mUV V 22P P m(U V ) 2V 1 U / V

−η= = ≅

+ + − +

A C

A

m mm 1m+

= ≅

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2

2 2 2

UV V V(U V) 22 2(U V ) 2V (U V)(U V) 1 U / V

− −η ≅ = =

+ − + − +

0

0,4

1,0

0,2 0,4 0,6 0,8 1 V/U

η

0,6

0,2

Per avere buon rendimento η e sufficiente trazione T:

Dare piccole variazioni di velocità (V−U) ad una consistente portata d’aria dm/dt. L’aumento della portata è possibile:

1.Aumentando la sezione di captazione d’aria;

2.Ponendo una ventola davanti al compressore che consente di aspirare una maggiore quantità d’aria (turbofan).

A) Per U=costante:

a1) η>> per V>>;

a2) η=1 per V=U; condizione teorica : T= (U−V)=0.

B) Per V=costante:b1) η>> per du=(U−V)<<

b2) T>> per du=(U−V)>>

b3) T>> per dm/dt >>

m

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Potenza Disponile Turboreattore

D DP T V=

V

TD Livello del mare

In quota

V

PD Livello del mare

In quota

Le caratteristiche dei motori a getto ed in particolare del turboreattore sono definite in termini di spinta T piuttosto che di potenza (al freno). Si definisce “potenza disponibile”:

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TURBOELICA

Elica (fan)

Riduttore Turbina di alta

pressione (per compressore)

Camere di combustioneCompressore Turbina di

bassa pressione (per azionare fan)

Presenta una turbina aggiuntiva che aziona un’elica.

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Il turboelica nato negli anni ’50 ed accantonato per un certo tempo è tornato in voga negli ultimi anni per i vantaggi che presenta nelle brevi tratte sia dal punto di vista economico che operativo. Il ciclo termodinamico del turboelica è quello di Brayton dove l’espansione 3’4 non avviene più nell’ugello ma in una seconda turbina a bassa pressione che aziona l’albero portaelica. Rispetto ai turboreattori presenta un maggior rendimento alle basse velocità ed alle basse quote il che compensa la maggiore complessità dovuta all’elica. Rispetto ai motori a ciclo Otto presentano un maggior consumo specifico ma presentano i seguenti vantaggi:1.maggiore compattezza e minor ingombro frontale;2.miglior rapporto potenza/peso;3.impiego di un combustibile meno infiammabile;4.minore complessità costruttiva, in particolare nel sistema di accensione, che consente una maggiore facilità di manutenzione e maggiori intervalli del tempo di revisione.

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Compressore centrifugo

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Pratt & Whitney 6B(con compressore centrifugo)

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Compressore Assiale

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ENDOREATTORI

Vantaggi• Può funzionare nel vuoto assoluto.• La spinta è costante.Svantaggi:• Necessità di imbarcare tutto il propellente.• Necessità di forti T, essendo montati su veicoli che non si

sostengono per forza aerodinamica.Vengono distinti in:

−Endoreattori a Propellente liquido−Endoreattori a Propellente solido

T mU=

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Endoreattori a propellente liquido

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Endoreattori a propellente solido

Combustione a sigaretta

Inibitore

Inibitore

Grafite

Sistema di accensione

Grafite

Propellente cavo

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Forma inizialeForma durante la combustione

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Rendimento dell’Endoreattore

U2

P

T mUP TV mUVP m(U V) / 2

=⎧⎪ = =⎨⎪ = −⎩

U2

U P

P 2U / VP P 1 (U / V)

η = =+ +

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

V/U

η

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Rendimento dell’Endoreattore

L’endoreattore può raggiungere rendimenti unitari fornendo i normali valori di spinta (che è indipendente dalla velocità di volo).

Questo differenzia in maniera sostanziale l’endoreattore − dal motoelica, per il quale η=1 quando la trazione T= (U−V)=0−dall’esoreattore, per il quale quando η=1 si ha una spinta

alquanto modesta.Peraltro le elevate velocità di scarico, dell’ordine dei 2.000 m/s,

rendono l’endoreattore particolarmente appropriato per veicoli estremamente veloci.

m

A CT m (U V) m U= − +