Tra le varie tecnologie di propulsione aerospaziale, i motori a razzo liquido sono stati i primi ad entrare nelle applicazioni dell’ingegneria aerospaziale grazie alle loro elevate prestazioni e affidabilità, e alla buona adattabilità alla missione, e hanno sempre occupato una posizione dominante, promuovendo i primi esperimenti a partire dal 1926, la nascita e lo sviluppo dei missili balistici (1944-1970) e dei razzi vettore (1957-ad oggi) che hanno aperto l’èra del volo spaziale umano e sostenuto il vigoroso sviluppo delle attività relative.

Attualmente, il principale sistema di propulsione, il sistema di propulsione ausiliario di veicoli di lancio (ad eccezione di piccoli veicoli di lancio solidi), le navette spaziali, gli aerei aerospaziali (tipo Space Shuttle), veicoli spaziali, satelliti, stazioni spaziali, sonde spaziali profonde e altri mezzi, quasi tutti utilizzano il razzo a combustibile liquido.

In base alle diverse esigenze applicative, i motori a razzo a combustibile liquido hanno sviluppato vari tipi e centinaia di prodotti ingegneristici con diversi livelli di spinta, propellenti, e metodi di alimentazione del ciclo di potenza.

Tra questi, le prestazioni e il livello tecnico dei motori utilizzati per il sistema di propulsione principale dello stadio base e dello stadio superiore del veicolo di lancio (indicato come motore principale) determinano direttamente l’efficacia del veicolo di lancio e influenzano la capacità di un Paese e livello di accesso, esplorazione, utilizzo e sviluppo dello spazio – pertanto tali sistemi sono considerati la pietra angolare dello sviluppo aerospaziale nonché importante garanzia strategica per la sicurezza nazionale e lo status di grande potenza.

Allo stesso tempo, il motore principale è tecnicamente complesso e difficile, con un lungo ciclo di sviluppo e costi elevati; esso appartiene all’industria strategica di base nazionale ed è un’espressione concentrata della base industriale del Paese, del livello scientifico e tecnologico e della forza nazionale globale Nel mondo di oggi, solo pochi Paesi come Stati Uniti d’America, RP della Cina, Russia, Francia e Giappone sono in grado di sviluppare autonomamente il motore principale del veicolo di lancio e creare una scala industriale.

I requisiti del veicolo di lancio per il motore principale includono elevati spinta, impulso specifico, rapporto spinta/peso, affidabilità e basso costo. Questi indicatori determinano che il motore funziona con parametri estremi che esauriscono le prestazioni limite dei materiali e realizzano le caratteristiche di funzionamento del rilascio e della conversione di energia di alto livello in un piccolo spazio strutturale.

Tali parametri di condizioni di lavoro a valore estremo elevato e tempi di avvio estremamente brevi (generalmente inferiori a 3 secondi) non sono eguagliati da tutte le altre macchine termodinamiche.

A causa delle suddette caratteristiche di funzionamento, unite al profilo ambientale e al profilo di missione, i motori risultano sempre più complessi, ed il motore principale a razzo liquido presenta caratteristiche tecniche uniche, inclusi i seguenti punti:

1) il meccanismo del processo di lavoro è complesso ed è difficile prevederlo e controllarlo efficacemente;

2) problemi come l’oscillazione dell’urto del sistema durante la transizione del motore, l’accoppiamento multi-campo dei componenti (come l’instabilità della combustione, la vibrazione indotta dal flusso, ecc.), la vibrazione subsincrona del rotore flessibile, hanno causato guasti al motore molte volte nella storia dell’aeronautica spaziale e occorrono molto tempo e denaro per risolvere problemi quali la combustione instabile ad alta frequenza, e la vibrazione subsincrona di altri motori ad idrogeno-ossigeno.
Tuttavia, il meccanismo non è stato ancora del tutto chiarito e il metodo di simulazione del progetto non è ancora maturo, con conseguente forte dipendenza dal test e difficoltà nella risoluzione dei problemi e nel miglioramento. Soprattutto per i motori ad alta spinta, le questioni relative agli effetti di scala, come la stabilità della combustione, l’equilibrio della forza assiale della turbopompa e la stabilità del rotore, diventeranno sempre più importanti se si vogliono raggiungere distanze seriamente siderali.

L’ambiente di carico è complesso e duro e i problemi di resistenza strutturale e fatica/sforzo sono importanti, quali il carico operativo estremo, inclusa velocità elevata, pressione, flusso di calore, temperatura, shock termico durante l’avvio, ecc.

L’elevato rapporto spinta-peso del motore richiede una struttura leggera e l’ambiente di carico complesso e rigido causa problemi importanti come il margine basso che dà un’elevata incertezza e pericoli legati alla modalità di guasto nella resistenza del motore e nella durata sotto fatica/sforzo.

In termini di lavorazione dei componenti, alcune tecnologie di produzione speciali sono difficili (come stampaggio o lavorazione di precisione su scala estrema, rimozione efficiente di materiali difficili da lavorare, preparazione speciale della saldatura e del rivestimento, ecc.); inoltre l’impatto del processo sulle prestazioni dei materiali strutturali è difficile da testare e valutare.

In termini di assemblaggio generale e ispezione, è difficile collegare con precisione i componenti, garantire la coerenza dell’assemblaggio medesimo e rilevare lo stato dello stesso (oggetti ridondanti, errori, stress, ecc.).

In termini di utilizzo e manutenzione, ci sono poche interfacce del motore e l’ambiente e le condizioni sono limitati, rendendo difficile rilevare, elaborare, valutare la situazione in maniera poi riparare rapidamente e manutenere.

Il motore principale dei razzi a liquido ha avuto origine dall’applicazione di missili strategici, ed è stato ampiamente sviluppato sotto la trazione di sistemi di trasporto spaziale basati su veicoli di lancio.

La corsa agli armamenti fra Stati Uniti d’America ed Unione Sovietica – che ha avviato la lotta per la corsa allo spazio, e non è certo stata la “volontà dell’uomo di pura conoscenza” – ha sviluppato una serie di missili balistici, ed i loro veicoli di lancio derivati hanno dato vita ai razzi per l’allunaggio. In tale contesto, il motore principale dei razzi a propellente liquido si è sviluppato a tutto tondo, con un gran numero di tipi e quantità di ricerca e produzione, basse prestazioni e nessuna enfasi sui costi.

I propellenti erano principalmente tossici e immagazzinabili, cherosene di ossigeno liquido e successivamente ossigeno liquido e idrogeno liquido arricchiti. Il metodo si basava principalmente sul ciclo del generatore di gas e successivamente ha sviluppato un ciclo di combustione supplementare ad alte prestazioni e uno di espansione.

Tipici motori a propellente convenzionali sono nati negli Stati Uniti d’America (Titan); ed i motori a cherosene ad ossigeno liquido, idrogeno liquido e ciclo d’espansione includono Thor, Delta e Saturn.

Tipici motori a propellente convenzionali sviluppati dall’Unione Sovietica includevano i Cosmos; a combustione supplementare arricchita di ossigeno i Proton; a cherosene ad ossigeno liquido i Soyuz. La Francia ha sviluppato il motore Viking. La RP della Cina ha dato vita al motore YF-20/24 per supportare lo sviluppo della serie CZ-2/3/4 di veicoli di lancio convenzionali. E dal 1972 al 1993, si è avuta la fase di sviluppo di motori ad alte prestazioni per aeronautica spaziale civile.

Il razzo vettore si è sviluppato indipendentemente dall’influenza dei missili balistici, le caratteristiche tipiche sono il rendere atossico il cherosene di ossigeno liquido, l’idrogeno liquido di ossigeno liquido; e manifestare alte prestazioni relative al ciclo di combustione supplementare, e di espansione, per produrre un’elevata spinta di livello base.

Esempi di aeronautica spaziale civile sono lo statunitense 

SSME (Space Shuttle Main Engine); i già sovietici Energia e Zenit; gli europei Ariane e Vulcain; i giapponesi LE-5 e Rich Afterburn; e il cinese YF-75.

Dal 1994 al 2009, si è avuta una fase di sviluppo di motori guidati da razzi ad alta affidabilità, basso costo e profilatura.

Il mercato internazionale dei motori per lanci è in piena espansione, ma l’economia e la sicurezza dello Space Shuttle non hanno soddisfatto le aspettative: alta affidabilità, basso costo e razzi modulari una tantum sono diventati il ​​fulcro dello sviluppo.

Lo sviluppo del motore che si basi su elevata affidabilità, basso costo e modularizzazione del sistema di propulsione è diventato un fattore importante. Lo sviluppo e il miglioramento dei motori in vari Paesi vengono effettuati attorno a questo principio. (1. continua)

Giancarlo Elia Valori