Un propulsore “impossibile”: il motore a detonazione rotante – video

Un motore ad onda di detonazione (in inglese pulse-detonation engine o "PDE") è un'evoluzione del pulsoreattore, il quale basa il suo funzionamento sulle pulsazioni dell'aria che lo percorre

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Un tipo di motore a razzo, una volta ritenuto impossibile, è stato provato in laboratorio. Gli ingegneri hanno costruito e testato con successo quello che è noto come un motore a detonazione rotante, che genera la spinta attraverso un’onda autosufficiente di detonazioni che viaggiano intorno a un canale circolare.
Un motore ad onda di detonazione (in inglese pulse-detonation engine o “PDE”) è un’evoluzione del pulsoreattore, il quale basa il suo funzionamento sulle pulsazioni dell’aria che lo percorre, ed è un tipo di motore aeronautico che può essere impiegato in un vasto campo di velocità che spaziano dal regime subsonico a quello ipersonico.
Poiché questo motore richiede molto meno carburante rispetto ai motori a combustione attualmente utilizzati per alimentare i razzi, alla fine potrebbe significare poter disporre di un sistema più efficiente e molto più leggero per lanciare satelliti e navicelle nello spazio.

Lo studio presenta, per la prima volta, prove sperimentali di una detonazione sicura e funzionante di propellente all’idrogeno e all’ossigeno in un motore a razzo a detonazione rotante“, ha dichiarato l’ingegnere aerospaziale Kareem Ahmed dell’Università della Florida centrale.
L’idea del motore a detonazione rotante risale agli anni ’50. È costituito da una camera di spinta anulare a forma di anello creata da due cilindri di diverso diametro inseriti l’uno nell’altro, lasciando uno spazio tra di loro.
Fino ad oggi, nessun motore di questo tipo è stato mai messo in produzione, ma diversi modelli sperimentali sono stati provati al banco e un esemplare è stato installato con successo su di un aereo che nel 2008 ha effettuato dei voli a bassa velocità.
Nel giugno 2008, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) presentò il progetto Blackswift, un aereo ipersonico in grado di utilizzare queste tecnologie per raggiungere velocità fino a Mach 6. Il progetto fu però cancellato poco dopo nell’ottobre del 2008.[2]
Nel 2012 la EADS ha siglato un accordo con l’Istituto di fluidodinamica Lavrentiev presso Skolkovo vicino Mosca, per lo sviluppo di un nuovo motore ad onda di detonazione continua (Continuous Detonation Engine o CDE).
In questo tipo di motore, il gas combustibile e l’ossidante vengono iniettati nella camera di spinta anulare attraverso piccoli fori e accesi. Questo crea la prima detonazione, che produce un’onda d’urto supersonica che rimbalza intorno alla camera. L’onda d’urto accende la detonazione successiva, che accende la successiva, e così via, producendo un’onda d’urto supersonica che genera una spinta.
Ciò dovrebbe produrre più energia con meno carburante rispetto alla combustione, motivo per cui l’esercito americano lo sta studiando e finanziando; questa nuova ricerca è stata finanziata dalla US Air Force, e non è l’unico progetto che i militari stanno esaminando.

In realtà, però, c’è un motivo per cui fin dagli anni ’60 i razzi sono generalmente alimentati dalla combustione interna, in cui il carburante e l’ossidante vengono miscelati per produrre una reazione più lenta e controllata per generare spinta.

La detonazione è caotica e molto più difficile da controllare. Affinché il sistema non esploda, tutto deve essere calibrato con precisione.
Il combustibile utilizzato, il rapporto con l’ossidante, le dimensioni dei fori, le dimensioni della camera anulare, le dimensioni e la forma del reattore, quando e dove viene iniettato il combustibile, sono tutti fattori che devono essere presi in considerazione e devono essere calibrati in relazione l’uno all’altro. Ad esempio, diversi tipi di carburante potrebbero richiedere fori di iniezione di dimensioni o forma diverse.
Questa messa a punto è ciò su cui Ahmed e il suo team hanno lavorato. Hanno creato un attento equilibrio tra idrogeno e ossigeno e l’hanno testato sul loro motore di prova, un piccolo motore a razzo a detonazione rotante da 7,6 centimetri modellato su uno progettato dal US Air Force Research Laboratory.
Dobbiamo sintonizzare le dimensioni dei getti rilasciando i propellenti per migliorare la miscelazione della miscela idrogeno-ossigeno locale“, ha spiegato Ahmed.
Quindi, quando l’esplosione rotante arriva alla nuova miscela appena immessa, viene sostenuta. Se la miscela dovesse avere una composizione non ottimale, tenderà a deflagrare o bruciare lentamente invece di detonare“.

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(Sosa et al., Combustione e Fiamma, 2020)

Per dimostrare che l’impianto funziona, il team ha iniettato un tracciante di metano nell’idrogeno e ha usato una telecamera ad alta velocità per catturare le onde di detonazione. Le immagini, dicono i tecnici, mostrano continue detonazioni co-rotanti a cinque onde che si muovono in senso antiorario.
Se potrà essere correttamente dimensionata, questa tecnologia potrebbe alleggerire i razzi in modo significativo e ridurre i costi dei lanci, ma sono possibili anche altre potenziali applicazioni. Nel 2012la Marina degli Stati Uniti ha previsto che i motori a detonazione rotanti potrebbero comportare una riduzione del 25 percento nell’uso di carburante nelle sue navi e tagliare di 300-400 milioni il costo della sua bolletta energetica annuale.
I risultati di questo studio stanno già avendo ripercussioni in tutta la comunità di ricerca internazionale“, ha affermato William Hargus del programma del motore a razzo a detonazione rotante dell’Air Force Research Laboratory.
Diversi progetti stanno ora riesaminando la combustione della detonazione dell’idrogeno all’interno dei motori a razzo a detonazione rotante a causa di questi risultati. Sono molto orgoglioso di essere associato a questa ricerca di alta qualità“.
Lo studio è stato pubblicato in Combustion and Flame.