Razzi Steampunk? Razzi a vapore

Per quanto possa essere affascinante l’idea di avere razzi a vapore, ciò è veramente utile con le attuali tecnologie? Scopriamolo insieme approfondendo un po’ la scienza dietro un lanciatore orbitale.

ARCA è una azienda aerospaziale privata romena nota per essere stata incaricata dall’ESA del test del sistema il controllo del Fu Lander Schiaparelli. L’ASI mosse le accuse di essere stati i responsabili del fallimento della missione. Successivamente al tragico schianto sulla superficie marziana, e trasferitasi negli USA, stanno proponendo questo design di razzi a vapore che dovrebbe funzionare come lanciatore nei primi chilometri.

Perché il vapore?

Perché secondo loro è più ecologico e meno inquinante. Da un certo punto di vista è senza dubbio vero. Infatti nei fumi dei tradizionali razzi che bruciano idrocarburi, oltre ai prodotti di combustione CO_2(g) e H₂O_(g), sono presenti incombusti ed altri composti tossici. Infatti la ricerca scientifica nella propulsione spaziale ed aeronautica è attiva anche nello sviluppo di propellenti più green degli attuali, e di ottimizzare i parametri dei reattori per ottimizzare la qualità di combustione, diminuendo la quantità di incombusti. Nonostante ciò, bisogna ricordare che anche l’H₂O_(g) si comporta come gas serra ed il suo effetto è maggiore se portato ad altitudini più elevate perché permane più tempo in atmosfera.

Perché le basse temperature sono un problema

In questo sistema presentato da ARCA, il vapore presente nel serbatoio viene riscaldato a qualche centinaio di gradi centigradi di temperatura da delle resistenze elettriche alimentate da terra prima del volo. Quindi non avvengono delle reazioni chimiche nel propulsore. Il vapore si limita ad immagazzinare l’energia termica che rilascerà nell’ugello al momento del volo. Una temperatura così bassa è un problema, vediamo il perché. Spoiler: tutti i propulsori che attualmente usiamo nei lanciatori sono termochimici.

Una volta aperta la valvola, il vapore acqueo saturo viene spinto ad alta pressione attraverso l’Ugello Convergente-Divergente, l’apparato che trasforma l’energia termica in energia cinetica. A causa del basso salto di temperatura, mentre il vapore espande nell’ugello, la sua temperatura diminuisce e si condensa. In poche parole, parte della sua energia termica (entalpia) viene “consumata” dal processo di condensazione (calore latente di condensazione) durante il salto entalpico. Ciò fa si che il getto sia espulso ad una velocità inferiore.

Influisce anche il fatto che nel getto sono presenti gocce d’acqua condensate. Infatti avendo una massa maggiore raggiungono una velocità minore rispetto alle molecole sotto forma di gas.

Questo è anche un motivo per cui un propulsore ad idrogeno è più efficiente di un propulsore ad idrocarburi. Infatti produce solo H₂O_(g) , che ha una massa minore della CO_2(g) .

Efficienza Propulsiva

Vediamo come la bassa velocità del getto influisce sulla spinta e l’efficienza della spinta.

La spinta fornita dal propulsore è dovuta proprio alla velocità del getto propulsivo, attraverso il terzo principio della dinamica. Infatti può essere scritta come

Dove l’m con il punto sopra indica la portata in massa che esce dal propulsore (kg/s), mentre la u_e indica la velocità di uscita del getto [m/s].
A parità di massa espulsa, maggiore è la velocità con cui esce dall’ugello e maggiore sarà la spinta, e di conseguenza maggiore l’Impulso fornito dal propulsore.
Per questo vengono classificati i propulsori a getto attraverso un parametro che viene chiamato Impulso Specifico Ponderale, o I_sp per gli amici, che viene misurato in secondi. E’ la misura che tiene conto dell’efficienza propulsiva, come rapporto fra la Spinta fornita dal propulsore ed il peso della portata di gas espulsi per ottenerla. Un approfondimento su come funziona la propulsione, lo trovate qui:

A tutto plasma! – Parte I

L’Efficienza Propulsiva per classificare i propulsori

Tanto maggiore è l’ I_sp, e tanto efficiente è il propulsore. Significa che per fornire la stessa spinta, necessita di meno propellente.
Mediamente, un propulsore a propellente liquido ha un I_sp che si aggira sui 450 s nel vuoto e 350 s a livello del mare (a causa della presenza di pressione ambiente che impedisce ai gas di espandersi adeguatamente). Un propulsore elettrico d’uso spaziale nell’ordine delle migliaia di s, ed essenzialmente se vogliamo espanderci nello spazio abbiamo bisogno di propulsori con un I_sp sempre maggiore, perché, diminuiscono i consumi, e si può giungere più lontani ed in generale effettuare più manovre. Aumenta quindi l’autonomia dei veicoli spaziali.
Facendo un paragone con i veicoli, sarebbe come preferire di avere un’automobile che compie molti più chilometri con un litro rispetto a quella che si ha.

L’Efficienza Propulsiva di questi razzi a vapore

Se andiamo a vedere l’ I_sp dei razzi a vapore qui proposti, si osserva che è veramente basso (nei test statici del loro Aerospike raggiunge i 20 s ed i primi lanciatori dovrebbero [condizionale] raggiungere i 60 s, secondo quanto affermato nel video che vi rimandiamo a fine articolo).
Eppure l’ARCA afferma che l’ I_sp non è indicativo per un propulsore a vapore. Affermazione un po’ azzardata. Infatti puntano sulla elevata portata in massa di un sistema del genere. Il problema è che seppur ci sia una grossa variazione di massa, grazie a tutto quel vapore espulso, comunque la velocità del getto è molto bassa. Cioè, l’esperienza ci dimostra proprio il contrario!

Ugelli supersonici con getti subsonici

Qualcosa va detto anche sull’uso dell’ugello.
Infatti un ugello convergente-divergente, si usa quando il getto esce a velocità supersoniche. E’ formato da due parti: il convergente, ed il divergente. Questa condizione si ottiene quando il flusso espande nel convergente ed aumenta di velocità (a causa dell’energia termica e della progressiva diminuzione della sua sezione), finché non raggiunge Mach 1 nella sezione di gola, portandosi nella condizione di choked flow (flusso strozzato). E’ la condizione di portata massima: oltre questa non può aumentare. A valle della gola, nel divergente, la velocità del flusso supersonico invece di diminuire come farebbe nel regime subsonico, aumenta e continua l’espansione del gas e l’aumento di velocità, dovuta alla conversione di energia termica in energia cinetica del getto. Quindi un ugello convergente-divergente, è la forma da conferire al condotto per portare il gas a velocità supersonica. Con un flusso subsonico che non raggiunge la condizione di choked flow in gola, conviene usare solo il convergente.

Un Aerospike è un particolare tipo di ugello C-D meno sensibile alla pressione ambiente. Infatti questa si contrappone all’espansione dei gas diminuendone la velocità finale e di conseguenza la spinta. Grazie a questa geometria inversa del divergente, facendo scivolare i gas del getto lungo le pareti dello stesso, riesce a mantenere l’efficienza a qualsiasi altitudine.

La velocità di uscita di questi razzi a vapore

Attraverso un semplice calcolo è possibile stimare la velocità di getto all’uscita dal divergente del propulsore proposto da ARCA attraverso i loro stessi dati. u_e si calcola come:

U_e = g₀ . I_sp

Dove g₀ è l’accelerazione di gravità al livello del mare, cioè 9,81 m/s²
Quindi, basta moltiplicare i valori ricavati, per scoprire che con un I_sp di 20 s la velocità di getto è abbondantemente nel regime subsonico, per cui basterebbe usare solo l’ugello convergente, similmente a qualsiasi razzo ad acqua. Qualquadra non cosa!
L’Aerospike aiuta sensibilmente permettendo al getto di uscire con una velocità maggiore rispetto al tradizionale ugello a campana.

In Conclusione

L’acqua potrebbe essere comunque sfruttata realmente come propellente, ma bisognerebbe riscaldarla a temperature e pressioni tali da rendere il vapore, un vapore secco, ovvero un gas, così che si condensi quando già è fuori l’ugello ed a bassa pressione. Per far ciò bisognerebbe portarla a temperature di migliaia di gradi, comparabili a quelle della camera di combustione di un classico endoreattore, non poche centinaia di gradi.

Per far ciò si potrebbe sfruttare un propulsore Termo Nucleare, similmente al NERVA, per cui fu inizialmente proposta realmente l’acqua come propellente! Infine si scese di usare l’idrogeno poiché la massa dell’idrogeno molecolare [H₂] (circa 2 g/mol) è molto minore quella della molecola di acqua [H₂O] (18 g/mol) e quindi ogni molecola verrebbe spinta ad una velocità maggiore, oltre al fatto che dissociandosi in idrogeno gassoso alle alte temperature, per lo stesso ragionamento di sopra, avrebbe provocato un aumento di I_sp e quindi efficienza.

In Copertina: Scatto del vapore in espansione durante uno dei test

[EDIT: Articolo aggiornato il 27-02-2021]