La propulsione a endoreazione

IL CAMPO DI UTILIZZAZIONE DEI « RAZZI»

Si definisce « razzo » qualsiasi missile non guidato, provvisto di endoreattore, nel quale la combustione avviene in un tempo ridotto (inferiore a due minuti).

Caratteristica dell'endoreazione è che, a differenza degli altri sistemi di propulsione, non utilizza l'aria esterna né come comburente, né, come massa reattiva, ed è per questa sua particolare caratteristica che un razzo trova nel volo alle grandi altezze (al disopra dei 30.000 metri) ed in particolare nel volo interplanetario, dove maggiore è la rarefazione dell'aria, il suo campo ideale di utilizzazione.

Inoltre, dati per risolti i problemi legati alla barriera termica, il razzo è l'unico mezzo che, allo stato attuale, è capace dì funzionare ad un elevato numero di Mach, in quanto la sua velocità di spostamento non è legata a, particolari problemi di aerodinamica, ma dipende quasi esclusivamente dalla pressione interna della sua camera di combustione. La stessa cosa non avviene invece nei turbo-stato‑reattori, per i quali esiste un numero di Mach ed una pressione di camera « optimum » aldilà delle quali le prestazioni dell'apparecchio diminuiscono. Ed ancora, poiché la combustione può avvenire a pressioni piuttosto alte (dell'ordine. di 30 atm.), possono essere liberate quantità di energia relativamente grandi in rapporto al volume di miscela impiegata, ciò che si traduce in pratica in forti spinte; cosa che per ora non è ottenibile con altri sistemi di propulsione.

Ma se questi sono i vantaggi dell'endoreazione, il rovescio della medaglia è rappresentato dal fatto che il razzo, non utilizzando l'aria esterna, deve portare con sé, oltre al combustibile, anche il comburente di cui necessita.

E’ questa una servitù molto gravosa, perciò il fabbisogno di comburente aumenta notevolmente con il crescere della velocità ed, in proporzione, aumenta quindi il quantitativo di comburente da trasportare in volo.

Tale soggezione ha una notevole importanza, in quanto condiziona la durata di volo di un razzo e ne limita l'impiego ai soli casi in cui occorrono forti spinte per un tempo piuttosto breve.

Infatti, la quasi totalità delle armi terra‑terra o terra‑aria sono propulse, alla partenza, da un vettore ausiliario a razzo (booster) che le porta, a raggiungere, in pochi istanti, velocità supersoniche.

Oltre che dal punto di vista dell'impiego i razzi si possono classificare anche per la natura fisica della miscela combustibile impiegata.

Secondo questa seconda classificazione i razzi si dividono principalmente in due categorie: razzi a liquido e razzi a polvere.

Nei primi il combustibile ed il comburente sono immagazzinati sotto forma di liquido; nei secondi il propellente (miscela di combustibile e comburente) è immagazzinato sotto forma di blocchi compressi di polvere, dove il combustibile ed il comburente sono già preventivamente mescolati nelle dovute proporzioni.

Nei razzi a liquido la miscela propulsiva si forma man mano che essa brucia nella camera di combustione, dove il carburante ed il comburente sono direttamente iniettati o a mezzo di particolari pompe, o a pressione di gas, essendo i rispettivi serbatoi tenuti sotto pressione.

Facendo astrazione dalle qualità energetiche del propellente impiegato, una osservazione si rende necessaria a priori.

Un razzo a liquido alimentato da pompe, azionate a loro volta da una turbina, può funzionare per tutto il tempo che si desidera, purché la sua camera di combustione e lo scarico siano debitamente raffreddati. La stessa cosa non è invece possibile per i razzi alimentati da serbatoi sotto pressione o per quelli a polvere.

Infatti, nel caso di un motore alimentato a pressione, la quantità di gas che si può immagazzinare è limitata dal peso dei recipienti che aumenta, sino a divenire proibitivo, con l'aumentare della pressione. Nel caso dei razzi a polvere è la velocità di combustione che ne condiziona la durata, in quanto, essa non può essere tanto lenta quanto sarebbe desiderabile ed i blocchi di combustibile, per varie ragioni, non possono superare certe dimensioni.

Questo fatto, che in apparenza sembrerebbe di scarsa importanza, è spesso determinante invece, per un particolare razzo, nella scelta del propellente da impiegare.

Infatti, sarà preferibile usare razzi alimentati da gruppi di turbo-pompe in tutti i casi in cui è richiesta una durata di volo relativamente lunga, ad esempio un motore di crociera per un'arma terra‑aria o un motore principale di un'arma aria‑aria a lunga gittata; riservandosi l'uso di un razzo alimentato a pressione di gas o a polvere per quei casi in cui è richiesta una forte spinta iniziale, ma di breve durata: come potrebbe essere quello di un « booster » iniziale di uno stato‑turbo‑reattore o di un altro razzo

Naturalmente, tali concetti d'impiego non sono assoluti, ed in pratica si verifica sovente che si hanno applicazioni che sono in contrasto con quanto detto. Ad esempio il « Vanguard » ha per « Booster » un Viking azionato da turbo‑pompe, mentre l'ultimo stadio è formato da un razzo propulso a polvere; l'Aerobee ed il Veronique (razzi di ricerca per le grandi altezze) sono propulsi da motori a pressione di gas; il « Terrier » è propulso a polvere, ecc.

I RAZZI A PROPELLENTE SOLIDO

In primo luogo, il razzo a propellente solido è il più semplice dei sistemi di traslazione autonoma che l'uomo conosca. Esso non possiede alcun pezzo in movimento, non pompe, non valvole, non parti rotanti.

Un razzo a propellente solido si compone essenzialmente di tre elementi: il carico di propellente (di forma cilindrica), detto candela o grano, la camera di combustione e l’eiettore (ugello).

Un altro elemento egualmente necessario è il dispositivo di accensione, che può presentarsi sotto la forma di una piccola carica pirotecnica, situata il più delle volte nello scarico, che, innescata elettricamente, brucia rapidamente liberando, in un tempo estremamente breve, il calore necessario a provocare la combustione di tutta la superficie del blocco propellente.

Dal punto di vista militare, i vantaggi logistici di tali razzi sono evidenti: disponibilità tattica immediata, immagazzinamento facile, manutenzione ridotta o nulla, nessun immagazzinamento e nessuna manutenzione a piè d'opera del carburante o carburanti pericolosi, eccellente adattamento alla tecnica della costruzione in grande serie e al controllo della qualità.

Dal punto di vista civile, l'impiego che se ne può fare può essere distinto in due categorie: quello classico e quello così detto a «generatore di gas».

Alla prima categoria appartengono gli elementi IATO, i razzi sonda, i razzi di propulsione per carri sui binari, i razzi di ricerca, anti‑grandine, anti‑incendio, di segnalazione, pirotecnici ecc. Invece gli avviatori di turbo‑motori, i generalori d'energia ausiliare, gli utensili di foramento dei pozzi di petrolio, gli estintori ecc. rientrano nella categoria, dei generatori di gas.

PROPELLENTE SOLIDO O A POLVERE

Quando si parla di moderni razzi a propellente solido, i propellenti che di solito intervengono sono principalmente di due tipi: propellenti solidi omogenei o colloidali e propellenti solidi eterogenei o composti.

I propellenti solidi omogenei sono sistemi chimici a reazione unica nei quali l'ossigeno è incorporato chimicamente al combustibile. Generalmente sono sotto la forma di elementi appartenenti al gruppo dei nitrati: entrano in questa categoria le nitrocellulose (propellenti a base unica) ed i composti nitrocellulosa‑nitroglicerina, (propellenti a doppia base).

I propellenti omogenei sono generalmente solidi e facilmente trasformabili in candele o grani mediante semplici processi di lavorazione meccanica. Tuttavia, in pratica, si ricorre a dei solventi che, riducendoli in soluzioni, ne permettono in seguito la fusione in stampi.

I propellenti eterogenei o composti sono sistemi chimici a reazione multipla. Essi si compongono di una mescolanza intima in cui interviene:

a) un composto ricco d'ossigeno detto comburente (il più delle volte un sale cristallino inorganico);

b) un composto generalmente ricco in contenuto di carbonio ed idrogeno, detto carburante;

c) diversi additivi per il trattamento a caldo, e necessari alla stabilità ed alla regolazione catalitica dell'andamento della combustione.

Il nitrato d'ammonio (NH4N03), il perclorato d'ammonio (NH4Cl04) ed il perclorato di potassio (KClO4) sono dei comburenti tipici; l'asfalto, le resine ed i caucciù sintetico sono dei carburanti tipici.

I carburanti usati nei propellenti solidi devono possedere una proprietà importante: devono cioè aver l'attitudine a saper agglutinare le particelle di comburente fra di loro. Inoltre il composto deve risultare di proprietà fisiche tali da permettergli di resistere alle contrazioni provocate dalle variazioni di temperatura che si possono avere nei magazzini di conservazione, ed in pari tempo resistere alle variazioni di pressione ed accelerazione che si verificano nel corso del lancio. Per questa ragione, non sono troppo numerosi i carburanti che possono essere incorporati nei propellenti solidi, in quanto, mentre alcuni sono dei buoni carburanti non sono buoni agglutinanti, ed al contrario altri sono degli ottimi agglutinanti e mediocri carburanti. S'intende che i migliori carburanti per propellenti sono quelli che possiedono al massimo le due qualità.

Non esiste una differenza sostanziale, dal punto di vista della reazione chimica, fra la combustione di una polvere o la combustione di una miscela formata da due liquidi. In tutti e due i casi si tratta di una semplice reazione chimica: quella di un ossidante su uno o più riducenti.

Dal punto dì vista pratico, invece, una polvere offre sui liquidi dei notevoli vantaggi: può essere immagazzinata e maneggiata molto più facilmente; generalmente non è corrosiva, né danneggia la respirazione; non pone problemi di iniezione e non richiede dispositivi di alimentazione e, a parità di massa, possedendo teoricamente una maggior densità, occupa un minor volume della maggior parte dei liquidi.

Tuttavia, perché una polvere possa servire allo scopo, deve possedere particolari qualità meccaniche quali: la compattezza necessaria, la possibilità di essere preformata in blocchi da poter essere riprodotti in serie ed in dimensioni convenienti, la stabilità, la possibilità di essere lavorata alle macchine, la possibilità d'immagazzinamento, ecc.

Quindi, una polvere risulterà da un compromesso tra le qualità energetiche che si desiderano ottenere e le qualità meccaniche che si è costretti a rispettare.

D'altra parte, è anche da tener presente che i componenti di una polvere combustibile sono piuttosto limitati proprio per le qualità meccaniche che si devono conferire al composto, per cui è prevedibile che l'evoluzione dei razzi a polvere sarà meno rapida dell'evoluzione dei razzi a liquido, dove, almeno per ora, vi è maggior possibilità di scelta.

La mescolanza propulsiva solida più antica che si conosca è la polvere nera. Dopo il Medio Evo, sin alla scoperta della nitroglicerina, verso la metà del XIX secolo, essa fu il solo esplosivo conosciuto. La polvere nera è costituita da una mescolanza compressa di nitrato di potassio, carbone e zolfo. La sua composizione data dal XII secolo ed è poco evoluta; oggi, non viene più usata che per l'accensione (miccia).

Il suo posto, è stato preso dalle polveri classiche così dette a doppia base, perché contenenti essenzialmente nitroglicerina e nitrocellulosa.

In queste polveri la nitroglicerina, che è un liquido, gioca il ruolo di gelatinizzante, ma è anche il costituente più energetico. Aumentando il tenore di nitroglicerina, diminuisce, quindi, il consumo specifico ed aumenta la temperatura di combustione, ma parallelamente diminuiscono le qualità meccaniche della polvere.

Polveri di questo tipo, in particolare la S. D. (senza dissolvente) e la balistite sono ancor oggi normalmente impiegate. Queste polveri sono perfettamente idonee per la propulsione di macchine di modeste dimensioni, perché presentano l'inconveniente di non poter essere realizzate in grandi blocchi.

In questi ultimi anni, una nuova famiglia di polveri ha fatto la sua comparsa; si tratta di polveri composte a base di perclorato. Queste polveri sono costituite da grani annegati in una resina sintetica, che gioca il ruolo di combustibile, e si prestano molto bene ad essere modellate in blocchi di grandi dimensioni, inoltre presentano il vantaggio di un basso costo di fabbricazione. E’ molto probabile che allo sviluppo di queste polveri sia affidato il futuro dei razzi a propellente solido.

Come abbiamo già precedente accennato, una polvere è il risultato di un compromesso tra le qualità energetiche che si desiderano e certe esigenze di varia natura che devono essere rispettate.

Come per una combinazione liquida, così per una polvere, la scelta dei suoi componenti è limitata dalla temperatura di combustione del composto.

Infatti, poiché le camere di combustione dei razzi non sono raffreddate, difficilmente potremo usare polveri la cui temperatura di combustione superi i 3200‑3500° K e di conseguenza anche il consumo specifico, che da tale temperatura dìpende, non può essere rìdotto.

Nella tabella più sotto riportata, sono posti a raffronto i consumi specifici di alcune polveri in funzione della temperatura di combustione.

Un altro parametro molto importante che ci guida nella scelta di una polvere, è la velocità di combustione. Si sa che essa è funzione della pressione in camera di combustione, ma nessuna relazione universale è stata ancora trovata per mettere in evidenza questa funzione. In via d'approssimazione possiamo dire che essa varia come una potenza dell'ordine di 0,4‑0,7 della pressione in funzione della temperatura di combustione della polvere ed a seconda della composizione chimica di essa.

Tabella di confronto fra alcune polveri dii impiego usuale.

	S. D.	Balistite J.P.N.	Polvere a base di C104NH4	Polvere a base di NO3NH4	NO3H + kerosene rapporto di scoppio 20:1
Temperatura di combustione in °K	2170	3200	2700	1700	3000
Velocità teorica di eiezione in m/sec.	2100	2360	2190	1860	2300
Peso specifico in t/m3	1,59	1,61	1,75	1,55	1,32

Nell ultima colonna sono riportate per confronto le caratteristiche di una miscela propulsiva liquida NO3H (pressione di combustione 20 atm).

Con le polveri attualmente in uso, si possono ottenere velocità di combustione comprese fra 4‑5 m/m per secondo, ma gli studi in atto fanno sperare che si possa scendere anche a velocità di 2 m/m per secondo per pressioni di funzionamento di 25 kg/cmq.

Quindi, riducendo la pressione, si può ridurre la velocità di combustione, ma purtroppo quella non puo essere portata al di sotto di certi valori, almeno per il volo alle basse quote. Alle altissime quote, non è invece la stessa cosa, perchè essendo la pressione ambiente quasi nulla, pressioni di camera anche deboli potrebbero essere accettate; però in tal caso la limitazione è imposta dalle dimensioni dello scarico, le quali naturalmente crescono con il diminuire della pressione, e dalla pressione «minimum» di combustione della polvere.

Fra le nuove polveri a base di perelorato, sorte negli ultimi anni, una in particolare, appartenente alla famiglia del « boro », ha attirato l'attenzione dei tecnici per le sue caratteristiche di alto potere energetico a parità di altri requisiti.

Si tratta del « decaborano » il cui sviluppo ha portato la capacità d'impiego delle polveri, dai missili a «corta gittata» a quelli a «media gittata» e si spera possa essere impiegata anche per i missili a «lunga gittata».

La possibilità per un combustibile di sviluppare, bruciando, un alto potenziale energetico, dipende principalmente dalla sua effettiva capacità di ossidazione.

Nel caso di una macchina che aspira l'aria dall'esterno, il problema non presenta particolari difficoltà, non così invece è per il caso di una polvere, in quanto si tratta d'incorporare in essa, con l'ossidante, tutto l'ossigeno necessario alla combustione, pur mantenendo ad essa le necessarie caratteristiche meccaniche e di sicurezza.

Le maggiori difficoltà incontrate sono stato proprio quelle relative alla sicurezza, poichè i componenti di un propellente ad alto potenziale tendono ad essere reattivi e sensibili agli urti.

In generale, un carburante deve possedere particolari requisiti quali: alto potere calorifico per unità di peso e di volume, facile approvvigionamento, semplice manutenzione, sicurezza d'impiego, basso costo di produzione. Disgraziatamente, la maggior parte dei carburanti non rispondono all'insieme di queste condizioni, poichè queste proprietà si escludono a vicenda.

Tuttavia i borani (che sono composti di boro ed idrogeno) sembrano apparentemente soddisfare tutte queste condizioni, ad eccezione della modicità di prezzo, e per di più, da esperimenti fatti, è risultato che essi danno un rendimento in energia superiore del 10‑15% a quella dei propellenti liquidi, tipo ossigeno‑kerosene, ottenendo nel contempo una più bassa pressione di funzionamento.

Una delle caratteristiche più importanti per un carburante è quella di possedere un elevato potere calorifico.

Tra i vari tipi di idrocarburi possibili, quelli composti da elementi più leggeri sono quelli che presentano anche il più elevato potere calorifico.

Tuttavia, alcuni di essi come l'idrogeno e l'idruro di berillio, pur presentando un potere calorifico superiore ai borani, hanno dovuto essere scartati per le difficoltà pratiche d'impiego che essi presentano.

Fra i composti idrogeno‑boro quelli che attualmente sembrano godere di maggiore interesse sono il pentaborano (B5H9) ed il decaborano (B10H14). Per unità di peso, l'energia calorifica del pentaborano è maggiore di quella del decaborano, ma la proporzione è inversa nel caso dell'energia calorifica a parità di volume.

Pertanto, l'impiego dell'uno o dell'altro sarà determinato, a seconda dei casi, o da un problema di peso, o da un problema di spazio.

Un'altra importante caratteristica dei Borani è che posseggono una maggior rapidità di combustione; cosa questa che permette l'adozione dì camere di combustione più corte, con conseguente riduzione di tutto l'apparato motore.

Allo stato attuale, i borani, sono impiegati nei soli razzi, non potendo ancora essere impiegati nei turbo‑reattori, perchè i residui solidi della combustione provocano l'erosione delle camicie delle turbine. Inoltre, il loro prezzo di produzione è ancora troppo elevato.

I RAZZI A PROPELLENTE LIQUIDO

Abbiamo già accennato in che cosa consista la principale differenza fra razzi a propellente solido e razzi a propellente liquido. Nei primi, la combustione è data da una miscela propellente allo stato solido pre‑formata; nei secondi, è data da una miscela che si forma all'atto stesso della combustione con la mescolanza del carburante e del comburente, che sono tenuti allo stato liquido in recipienti separati.

La maggior semplicità di funzionamento dei razzi a propellente solido porterebbe a far pensare che questi avrebbero dovuto avere sugli altri, sin dall'inizio, uno sviluppo preponderante, ma la maggior disponibilità di carburanti liquidi ad alto potere energetico e la risoluzione di alcuni problemi connessi con la combustìone di un propellente solido, hanno fatto sì che si verificasse il caso inverso.

Ad esempio, per ovviare ai problemi di peso e di calore, che sorgono negli apparati di combustione a lunga durata, si è dovuto far ricorso all'uso dei propellenti liquidi. Infatti, tali problemi sono resi di più semplice risoluzione perché le camere di combustione di questi razzi possono essere più leggere e più piccole che non quelle dei razzi a propellente solido.

La maggior parte dei motori a combustibile liquido sono del tipo rigenerativo.

Tali rnotori, raffreddati rigenerativamente, sono costruiti con camera di combustione a doppia parete con aperture separate per il carburante ed il comburente.

Il carburante, prima di entrare nella camera di combustione, scorre fra le due pareti della camera raffreddandone la superficie interna, consentendo così l'uso di camere con pareti sottili e permettendo, nel contempo, tempi di combustione considerevolmente più lunghi.

Un ulteriore vantaggio del raffreddamento rigenerativo è dato dal fatto che il carburante, prima dell'iniezione, viene pre‑riscaldato.

Inoltre, non sempre i razzi a propellente liquido richiedono un sistema di accensione, perchè molte miscele si auto‑accendono quando i due elementi, carburante e comburente, si mescolano nella camera di combustione.

Abbiamo visto anche che esistono due tipi di razzi a propellente liquido: quelli muniti di motore alimentato a pressione e quelli muniti di motore alimentato a mezzo di pompe.

Nei primi, i serbatoi del carburante e del comburente sono collegati ad un terzo serbatoio a pressione che contiene gas inerte od aria ad alta pressione. Questo gas è portato a pressione ridotta nei due serbatoi e spinge il carburante ed il comburente nel motore.

Dal momento che i razzi funzionano con una pressione di camera sino a 30 Kg/cmq, è ovvio che i due serbatoi debbono essere tenuti ad una pressione alquanto superiore (circa il doppio) per assicurare il flusso dai serbatoi alla camera di combustione, con il risultato di un serbatoio piuttosto pesante, che avviene per razzi di una certa dimensione, di un peso proibitivo.

Per ovviare a questa situazione si fa uso del sistema di alimentazione a pompe.

Nelle attuali condizioni di sviluppo i sistemi a pressione sono economici soltanto fino a razzi dal peso complessivo di 5 Tonn.

Il sistema di alimentazione a pompe è essenzialmente uguale al sistema di alirnentazione a pressione, ad eccezione del fatto che il serbatoio della pressione è sostituito dalle pompe. Le pompe, per funzionare, hanno bisogno di una sorgente di energia che, generalmente, è costituita da un generatore di vapore che fa azionare una turbina collegata alle pompe stesse.

Concludendo, il sistema a pompe presenta rispetto al sistema a pressione i seguenti vantaggi ed inconvenienti:

• richiede serbatoi più leggeri;
• i serbatoi non possono essere usati come parti strutturali del razzo, come avviene per il sistema a pressione, data la loro leggerezza;
• è conveniente per razzi di peso complessivo superiore alle 5 tonnellate.

In ambedue i sistemi, però, i serbatoi non possono essere tenuti riforniti per lungo tempo e pertanto debbono essere immagazzinati a vuoto.

I COMBUSTIBILI LIQUIDI

La scelta di un combustibile o carburante liquido è in funzione delle sue qualità energetiche, e dell'utilizzazione del reattore che si vuol costruire.

Se si trascura la resistenza dell'aria l'incremento di velocità di un elemento propulso a razzo è dato dalla formula:

Δv = c. log (m/m1) g . t

dove c è la velocità di uscita efficace del getto, m il peso iniziale dell'elemento, m1 il peso finale, cioè a fine funzionamento (vale a dire il peso iniziale dell'elemento meno il peso del combustibile), t il tempo di funzionamento e g l'accelerazione media di gravità terrestre.

Le prestazioni di un razzo sono dunque funzione della velocità d'eiezione dei gas e del peso del liquido immagazzinato.

Si dimostra facilmente, dall'eguaglianza di cui sopra, che se Δv è piccolo, i due parametri giuocano un ruolo di pari importanza, se Δv è grande, l'importanza relativa al peso dei liquidi diminuisce rispetto a quello della velocità d'eiezione del gas.

Se noi vogliamo realizzare un veicolo astronautico, un satellite artificiale o un'arma strategica a lunga portata, dovremo dunque ricercare essenzialmente dei miscugli a basso consumo specifico, pena la realizzazione di macchine mostruose. Al contrario se vogliamo costruire un acceleratore di decollaggio, un missile terra‑aria o terra‑terra, cercheremo il miglior compromesso tra il consumo specifico e la velocità d'eiezione.

Indipendentemente da queste considerazioni dovrà esser tenuto anche conto dei parametri legati alle condizioni di utilizzazione.

Per macchine del 1° tipo, queste condizioni avranno molta minore importanza che per le altre. Infatti, si tratterà probabilmente di lanci poco numerosi, fatti, di massima, ad un'ora ben precisata e da una piattaforma fissa. Per macchine tattiche al contrario, le servitù sono di un altro ordine: questi apparecchi sonò previsti per essere utilizzati in grande quantità ed in un qualsiasi momento, in condizioni che possono essere precarie e da personale non specializzato. Le questioni di sicurezza e di comodità di impiego prendono dunque in questi casi importanza considerevole.

Infine, altre limitazionì intervengono sulla scelta di una mescolanza propulsiva, dovuta alle condizioni nelle quali si effettua la reazione. Una combinazione che, per esempio, conduca ad una temperatura di 4.000° K non potrà essere presa in considerazione perchè non possediamo dei materiali capaci di resistere a temperature così elevato.

Come noto, una miscela combustibile è composta essenzialmente di un ossidante e di un carburante: esamineremo qui di seguito alcune proprietà e caratteristiche dei principali ossidanti e carburanti che entrano in combinazione nelle miscele propulsive liquide.

GLI OSSIDANTI

L'ossidante è l'elemento principale di una mescolanza propulsiva, non perchè esso giuochi un ruolo più importante nella reazione, ma perché non ne esiste che un numero relativamente limitato, di reattività molto nettamente differenziata.

Se si guarda una classificazione periodica degli elementi, si constata clie i corpi semplici più ossidanti sono: l'ossigeno e il fluoro. E’ dunque logico scegliere come comburente uno di questi corpi, sia allo stato puro, sìa un suo portatore interessante.

Praticamente, oggi, il fluoro e i derivati del fluoro pongono dei problemi di manipolazione che non sono stati ancora completamente risolti ed, a parte qualche prova al banco, non si è a conoscenza che esistano realizzazioni, clie ulilizzino uno di questi prodotti. L'impiego del fluoro e dei suoi derivati è pertanto particolarmente interessante dal solo stretto punto di vista energetico. Il fluoro dà, infatti, con uno stesso combustibile, dei consumi specifici migliori di quelli ottenuti con l'ossigeno liquido.

Tutte le macchine attualmente in servizio utilizzano dunque come comburente sia l’ossigello puro che un suo derivato che, in generale, è l'acido nitrico o l'acqua ossigenata.

L'OSSIGENO LIQUIDO

Di tutta la famiglia dei composti dell'ossigeno, è l’ossigeno puro che dà i consumi specifici più bassi (ad eccezione dell'ozono che semibra un po' migliore ma che anche esso pone problemi di fabbricazione e di manipolazione che sono ancora lontani dall'esser risolti).

Esso è dunque ben adottabile per impiehi in macchine di lunga gittata visto che il suo elevato tasso d'evaporazione ne impedisce l'impiego pratico per armi tattiche. A parte i problemi derivanti dalla sua evaporazione, il suo immagazzinamento non presenta particolari difficoltà, non è corrosivo, nè tossico, la sua produzione, come quella dell'aria liquida, è classica ed il suo prezzo modesto.

L'ACIDO NITRICO

L'acido nitrico porta a consumi specifici maggiori dell'ossigano liquido di circa il 10%, come può essere constatato dalla tabella che segue, ma la sua densità è più elevata (1,5 invece di 1,15).

Esso converrà dunque meglio per macchine di media o corta portata. L'aereo pilota Trident, per il quale è previsto per qualche minuto il volo a razzo a velocità di 2 Mach; il missile terra‑aria Nike; i razzi sonda Aerobee e Veronique; funzionano per esempio con questo ossidante.

L'interesse maggiore che presenta l'acido nitrico è l'attitudine ad infiaimmarsi spontaneamente a contatto di numerosi combustibili. Citiamo fra essi alcune amine (Anilina, Xilidina, Tritilamina, Idrazina ecc.), alcuni corpi a struttura pentagonale, gli eteri vinilici, ecc. Questa proprietà è particolarmente interessante, poichè permette d'eliminare la sorgente d'energia connessa con l'accensione.

Tabella dei consumi specifici in Kg/Tonn. Di alcune miscele combustibili (Rapporto di scoppio 25/1)

	Fluoro	Ossigeno liquido	H2O2 85%	NO3H
Kerosene		3.92	4.34	4.33
Trietilamina				4.16
Idrazina	3.35	3.66	4.14	4.02
Dimetilidrazina		3.77
B2H6		3.44
B5H9		3.77
LiBH4		3.44

I consumi indicati corrispondono ad un rapporto di mescolanza “optimum”

Una caratteristica essenziale di una tale mescolanza propulsiva, detta anche mescolanza «Ipergolica », sarà dunque il tempo di accensione, vale a dire il tempo necessario all'accensione della miscela dopo l’incontro dei due getti. Questo tempo deve essere il piú breve possibile e non oltrepassare una ventina di millesimi di secondo, senza di che una quantitá troppo grande di miscela sarà introdotta nella camera di combustione e provocherà la sua esplosione al momento dell'accensione.

L'acido nitrico presenta due inconvenienti gravi, è corrosivo e pericoloso a maneggiarsi. Per immagazzinarlo, si ricorre a cisterne di alluminio puro o acciaio inox; e trattamenti fosfotizzanti e passivanti possono diminuire considerevolmente gli effetti della corrosione. La sua manipolazione necessita di guanti e vestimenti speciali, ma praticamente essa può essere assicurata da personale non specializzato, dopo una rapida formazione e senza grandi rischi.

L'ACQUA OSSIGENATA

L'acqua ossigenata impiegata nei razzi è concentrata al tasso compreso fra 85/90%. Dal punto di vista delle prestazioni essa è assolutamente confrontabile con l'acido nitrico, come si vede dalla tabella riportata e praticamente s'indirizza ad uno stesso domani di utilizzazione. La scelta fra uno o l'altro tipo di ossidante sarà dunque fatta su criteri di manipolazione e di prezzo.

La caratteristica principale di questo liquido è d'essere instabile e questo quanto maggiore è la sua concentrazione.

La sua decomposizione è provocata e attivata da dei catalizzatori, in particolare, i metalli rari, la schiuma di platino, il permanganato di calcio o di sodio in soluzione acquosa. Questa proprietà è altresì messa a profitto nei reattori a razzo che utilizzano l'acqua ossigenata pura. Infatti, decomponendosi sotto pressione su un catalizzatore essa dà luogo a formazione di vapore d'acqua ed ossigeno libero che, espulso, fornisce la spinta necessaria (Walter T. 500, de Havilland Sprite, ecc.).

Il suo immagazzinamento e la sua manipolazione sono molto più delicati dell'acido nitrico, nonostante che l'acqua ossigenata sia meno corrosiva e meno tossica. Nella misura che si sa eliminare questo inconveniente, stabilizzando per esempio l'acqua ossigenata, questa presenta una proprietà molto interessante. L'ossigeno risultante dalla sua decomposizione s'infiamma spontaneamente a contatto del Kerosene. Questa proprietà è sfruttata nei missili, nei quali l'eventualità di una esplosione a bordo presenta evidentemente minore importanza che non in un intercettore pilotato.

I COMBUSTIBILI

Ai comburenti ora esaminati, possono associarsi numerosi combustibili di cui la chimica organica fornisce d'altra parte una riserva infinita.

Se si cercano le alte prestazioni, vale a dire velocità di eiezione le più grandi possibili, una osservazione s'impone: i miscugli gassosi che danno una forte eiezione sono evidentemente quelli il cui volume specifico è molto grande, vale a dire quelli a debole forza molecolare.

I composti della chimica organica particolarmente interessanti saranno dunque, in generale, quelli relativamente ricchi di idrogeno, ben s'intende a parità di temperatura di combustione. Effettivamente l'idrogeno puro conduce a consumi specifici molto bassi, ma il suo interesse è discusso in ragione della sua bassa densità e pertanto del volume necessario al suo immagazzinamento a bordo. Altri portatori d'idrogeno anche interessanti sono: l’idrazina pura N2H4, ed un suo derivato, attualmente molto in voga, la dimetilidrazina N2H2 (CH3)2.

In pratica, però, si utilizza sopratutto, in associazione con l'ossigeno liquido o l'acqua ossigenata, il Kerosene o altre frazioni della distillazione del petrolio, così come i primi alcoli della serie grassa, anche perchè questi prodotti hanno un costo di produzíone meno elevato, perchè dispongono alla base di grandi installazioni industriali di produzione. L'impiego del Kerosene con l'acido nitrico è anche favorevolmente considerato, purchè si faccia avvenire l'accensione iniziale del razzo con un combustibile ipergolico. Questa soluzione ha evidentemente, in rapporto al miscuglio acqua ossigenata Kerosene, l’inconveniente di necessitare di un piccolo impianto a parte per il prodotto ipergolico, ma, per contro, è particolarmente interessante dal punto di vista sicurezza di funzionamento e manipolazione.

Allo stato attuale delle cose, i combustibili che sembrano riunire i migliori compromessi fra i differenti criteri clie sono stati esposti, sono la dimetilidrazina, la trietilamina (pura o in miscuglio), l'alcool furfarilico e il Kerosene.

G. Lo.