PROPELLENTI CHIMICI
PROPELLENTI CHIMICI
. Definizioni e classificazione. - I propellenti chimici sono sistemi particolari che, indipendentemente dall'ambiente esterno e in determinate condizioni, sono atti a reagire esotermicamente e in modo graduale, sviluppando un grande volume di prodotti di reazione, in prevalenza di natura gassosa, a temperatura assai elevata. I propellenti chimici sono fondamentalmente costituiti dai due ingredienti essenziali delle reazioni di combustione, l'uno complementare dell'altro: l'agente ossidante e la sostanza combustibile. Ed è per questa loro duplice natura che vengono qualificati "sistemi".
Se i due ingredienti sono già associati tra loro in singole molecole di composti chimici definiti, pertanto in rapporti ponderali invariabili, si hanno sistemi monopropellenti in senso vero e proprio; però sono da considerare sistemi monopropellenti anche taluni composti chimici di formazione endotermica potenzialmente instabili, che tendono a decomporsi esotermicamente. I sistemi monopropellenti sono liquidi o solidi, ma i primi sono di gran lunga i più importanti.
Se i due ingredienti sono entrambi liquidi e vengono tenuti separati fino a quando vengono portati ad intimo contatto nella camera di combustione dell'endoreattore, si hanno sistemi liquidi bipropellenti; qualora gli ingredienti liquidi siano più di due, per esempio un agente ossidante con una miscela di sostanze combustibili, si hanno sistemi liquidi pluripropellenti.
Se i due ingredienti essenziali sono entrambi solidi e vengono associati tra loro secondo rapporti ponderali variabili in miscele più o meno intime, si hanno i sistemi propellenti solidi; quando le risultanti miscele sono perfettamente omogenee e constano di due sostanze o "basi" attive di per sé stesse, che trovansi in soluzione solida sotto forma di "geli colloidali", i sistemi sono detti omogenei a doppia base; altrimenti, quando le risultanti miscele sono eterogenee, con gli ingredienti meccanicamente separabili, si hanno i cosiddetti sistemi eterogenei compositi.
Una terza categoria di sistemi propellenti è rappresentata infine dai cosiddetti sistemi ibridi, in cui uno degli ingredienti, per es. l'agente ossidante, è liquido, mentre la sostanza combustibile è solida, o viceversa; si hanno in tal caso sistemi propellenti liquido-solidi.
I sistemi propellenti liquidi e quelli liquido-solidi possono essere suddivisi in sistemi autoreagenti, quando reagiscono spontaneamente non appena l'agente ossidante venga a contatto della sostanza combustibile, ed in sistemi non autoreagenti in caso contrario, quando cioè per reagire richiedono un particolare innesco termico.
Un'altra denominazione generica dei sistemi propellenti chimici è quella di propergoli. Secondo tale denominazione, i sistemi monopropellenti, quelli liquidi bipropellenti e quelli liquido-solidi vengono rispettivamente detti monoergoli, diergoli e litergoli; i sistemi autoreagenti e quelli non autoreagenti sono qualifìcati rispettivamente come ipergoli ed anergoli; ed alcuni monopropellenti liquidi che reagiscono su appositi catalizzatori vengono detti catergoli.
Parametri principali di prestazione dei sistemi propellenti chimici. - I prodotti gassosi che si svolgono nella reazione chimica dei sistemi propellenti, per effetto del calore stesso di reazione, assumono nella camera di combustione del motore dei razzi (endoreattori) temperatura e pressione elevate e, espandendosi attraverso l'effusore, trasformano parte della loro energia termica in energia cinetica del getto propulsivo. Pertanto il parametro fondamentale dei sistemi propellenti chimici è rappresentato dal loro calore di reazione, detto altrimenti potere calorifico quando viene riferito al peso unitario del sistema completo che si considera (ossidante + combustibile); dal potere calorifico dipendono i parametri di prestazione dei sistemi propellenti, cioè la velocità del getto propulsivo, l'impulso o spinta specifica, il consumo specifico, di cui i primi due ne sono funzione crescente, il terzo ne è funzione decrescente.
Velocità del getto propulsivo. - La velocità V è funzione essenzialmente di
dove T è la temperatura assoluta dei prodotti gassosi entro la camera di combustione del razzo ed M il peso molecolare medio di essi.
Impulso specifico. - La spinta S che, per reazione, si esercita sul razzo è data dalla S = m′V, dove m′ è la portata massiva; m′ = Q/g dove Q è la portata in peso; l'impulso specifico Is è la spinta per unità di peso effluente nell'unità di tempo; Is = V/g (si usa esprimerlo quindi in secondi).
Consumo specifico. - È l'inverso di Is; si ha quindi Cs = g/V.
Limiti di prestazione dei sistemi propellenti chimici. - In realtà i valori di prestazione dei sistemi propellenti chimici differiscono notevolmente da quelli teorici, nel senso che l'impulso specifico risulta più basso, e conseguentemente il consumo specifico risulta più elevato; il peggioramento delle prestazioni è dovuto a varie cause, come imperfetta combustione, calore assorbito dalle pareti dell'endoreattore, calore consumato nelle dissociazioni termiche dei prodotti di combustione, calore residuo nei gas eiettati; per cui, in definitiva, soltanto una parte dell'energia calorifica disponibile viene trasformata in energia propulsiva efficace.
Ma a prescindere da questa impossibilità pratica di trasformare tutta l'energia calorifica disponibile in energia cinetica del getto, esistono altre limitazioni che sono connesse direttamente alla natura stessa del fenomeno combustivo; si dimostra infatti col calcolo che l'impulso specifico - assumendo tale parametro di prestazione come "indice di merito" dei sistemi propellenti - è direttamente proporzionale alla temperatura T dei prodotti di combustione, ed inversamente proporzionale al loro peso molecolare medio M, per cui sarebbe conveniente avere la T la più alta possibile e l'M il più basso possibile. Ma la T è limitata dal fatto che nelle reazioni di combustione, come del resto in tutte le reazioni chimiche, l'energia proviene dallo spostamento e dall'interazione degli elettroni costituenti lo strato orbitale esterno degli atomi, senza che gli strati più interni e, quel che più conta, il nucleo dove è concentrata la maggior parte dell'energia disponibile nella materia partecipino minimamente alle reazioni; l'M è limitato dalla natura dei prodotti di combustione, che insieme a molecole leggere, come quelle dell'idrogeno e del metano, contengono generalmente molecole più pesanti, come quelle dell'anidride carbonica, dell'ossido di carbonio, dell'acqua e sovente dell'azoto.
Concludendo, si può asserire che il massimo impulso specifico ottenibile con i sistemi propellenti chimici si aggira sul valore di 400″; e tale valore è assolutamente eccezionale.
Requisiti dei sistemi propellenti. - I propellenti chimici dovrebbero corrispondere, oltre che all'esigenza fondamentale del più alto impulso specifico, ad una serie di requisiti, come elevato peso specifico, stabilità, innocuità, prontezza di reazione, basso punto di congelamento e bassa tensione di vapore (per i propellenti liquidi) ed infine basso costo e larga disponibilità. È evidente che è ben difficile, per non dire impossibile, che un determinato sistema propellente possa soddisfare contemporaneamente tutte queste esigenze; perciò la scelta cadrà su quel sistema che meglio di ogni altro possa adeguarsi alle particolari caratteristiche d'impiego del missile che da esso dovrà essere alimentato.
Principali sistemi propellenti chimici. - Per brevità, qui di seguito saranno elencate sotto forma tabellare le proprietà più salienti dei sistemi propellenti liquidi, solidi, e liquido-solidi (ibridi).
Monopropellenti solidi. - I monopropellenti solidi, detti anche "a base unica" perché costituiti da un composto chimico definito, capace di reazione interna combustiva, sono raramente impiegati nei missili; esempî tipici sono la nitrocellulosa gelatinizzata, la nitroguanidina e il nitrato di guanidina.
Sistemi propellenti ibridi (liquido-solidi o litergoli). - Tutti questi sistemi sono ancora poco diffusi, ma su di essi attualmente si concentra l'attenzione di molti studiosi. Sistemi del genere già sperimentati con promettenti risultati sono ad esempio: a) tetranitrometano-combustibili carboniosi (o di altro genere); b) perossido d'idrogeno-polietilene; c) ossigeno liquido-polisolfuri ("tiocol"); d) ossigeno liq.-poliuretani.
Bibl.: J. Stemmer, Raketenantriebe, Zurigo 1952; E. Burgess, Rocket propulsion, Londra 1954; G. P. Sutton, Rocket propulsion elements, 2ª ed., New York 1957; Aviation Age - Technical handbook, 1957-58; F. A. Warren, Rocket propellents, New York 1958. E inoltre i periodici: Missiles and Rockets (American Aviation Publ.); Jet Propulsion (American Rocket Society); L'Aerotecnica (Associazione Ital. di Aerotecnica); Missili (Associazione Ital. Razzi).