Rappresentazione artistica dell'Integrated Powerhead Demonstrator. Credito immagine: NASA. Clicca per ingrandire.
Quando pensi alla futura tecnologia missilistica, probabilmente pensi alla propulsione ionica, ai motori ad antimateria e ad altri concetti esotici.
Non così in fretta! Il capitolo finale dei tradizionali razzi a propellente liquido deve ancora essere scritto. Sono in corso ricerche su una nuova generazione di progetti di razzi a propellente liquido che potrebbero raddoppiare le prestazioni rispetto ai progetti odierni, migliorando allo stesso tempo l'affidabilità.
I razzi a propellente liquido esistono da molto tempo: il primo lancio a propellente liquido fu effettuato nel 1926 da Robert H. Goddard. Quel semplice razzo ha prodotto circa 20 libbre di spinta, sufficienti per trasportarlo a circa 40 piedi in aria. Da allora, i design sono diventati sofisticati e potenti. I tre motori di bordo alimentati a liquido della navetta spaziale, ad esempio, possono esercitare più di 1,5 milioni di libbre di spinta combinata in rotta verso l'orbita terrestre.
Si potrebbe presumere che, ormai, ogni perfezionamento concepibile nei progetti di razzi a propellente liquido debba essere stato realizzato. Ti sbaglieresti. Si scopre che ci sono margini di miglioramento.
Guidati dall'aeronautica americana, un gruppo composto dalla NASA, dal Dipartimento della Difesa e da diversi partner del settore stanno lavorando a progetti di motori migliori. Il loro programma si chiama Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies e stanno esaminando molti possibili miglioramenti. Uno dei più promettenti finora è un nuovo schema per il flusso di carburante:
L'idea alla base di un razzo a propellente liquido è piuttosto semplice. Un combustibile e un ossidante, entrambi in forma liquida, vengono alimentati in una camera di combustione e innescati. Ad esempio, la navetta utilizza l'idrogeno liquido come combustibile e l'ossigeno liquido come ossidante. I gas caldi prodotti dalla combustione fuoriescono rapidamente attraverso l'ugello conico, producendo spinta.
I dettagli, ovviamente, sono molto più complicati. Per prima cosa, sia il combustibile liquido che l'ossidante devono essere immessi nella camera molto rapidamente e ad alta pressione. I motori principali della navetta prosciugherebbero una piscina piena di carburante in soli 25 secondi!
Questo torrente zampillante di carburante è azionato da una turbopompa. Per alimentare la turbopompa, una piccola quantità di carburante viene “precombusta”, generando così gas caldi che azionano la turbopompa, che a sua volta pompa il resto del carburante nella camera di combustione principale. Un processo simile viene utilizzato per pompare l'ossidante.
I razzi a propellente liquido di oggi inviano solo una piccola quantità di carburante e ossidante attraverso i prebruciatori. La massa affluisce direttamente alla camera di combustione principale, saltando completamente i prebruciatori.
Una delle tante innovazioni testate dall'Air Force e dalla NASA è quella di inviare tutto il carburante e l'ossidante attraverso i rispettivi prebruciatori. Solo una piccola quantità viene consumata lì, quanto basta per far funzionare i turbo; il resto fluisce attraverso la camera di combustione.
Questo design a 'ciclo a stadi a flusso completo' ha un importante vantaggio: con una maggiore massa che passa attraverso la turbina che aziona la turbopompa, la turbopompa viene azionata più duramente, raggiungendo così pressioni più elevate. Pressioni più elevate equivalgono a maggiori prestazioni del razzo.
Secondo Gary Genge del Marshall Space Flight Center della NASA, un progetto del genere non è mai stato utilizzato in un razzo a propellente liquido negli Stati Uniti. Genge è il vice responsabile del progetto per l'Integrated Powerhead Demonstrator (IPD), un motore di prova per questi concetti.
'Questi progetti che stiamo esplorando potrebbero aumentare le prestazioni in molti modi', afferma Genge. 'Speriamo in una migliore efficienza del carburante, un rapporto spinta-peso più elevato, una migliore affidabilità, il tutto a un costo inferiore'.
'In questa fase del progetto, tuttavia, stiamo solo cercando di far funzionare correttamente questo schema di flusso alternativo', osserva.
Hanno già raggiunto un obiettivo chiave: un motore più freddo. 'Le turbopompe che utilizzano modelli di flusso tradizionali possono riscaldare fino a 1800 C', afferma Genge. Questo è un sacco di stress termico sul motore. La turbopompa a 'flusso pieno' è più fredda, perché con più massa che la attraversa, è possibile utilizzare temperature più basse e ottenere comunque buone prestazioni. 'Abbiamo abbassato la temperatura di diverse centinaia di gradi', dice.
L'IPD è inteso solo come un banco di prova per nuove idee, osserva Genge. Il dimostratore stesso non volerà mai nello spazio. Ma se il progetto avrà successo, alcuni dei miglioramenti di IPD potrebbero trovare la loro strada nei veicoli di lancio del futuro.
Quasi cento anni e migliaia di lanci dopo Goddard, i migliori razzi a propellente liquido potrebbero ancora venire.
Fonte originale: Articolo scientifico della NASA
