I motori aeronautici

Si è parlato su un altro articolo dei motori dei vettori spaziali o razzi. È giunto il momento di parlare dei motori aeronautici. Verranno usate intercambiabilmente le dizioni di motori aeronautici e propulsori aeronautici, anche se questa seconda locuzione è la più corretta.

Un cenno storico

Sin dal primo volo dei fratelli Wright ci si è chiesti quali motori porre negli aerei. E a questa domanda non è semplice dare risposta.

Dobbiamo notare come non sia mancata l’esplorazione: tutti i tipi di propulsori che siano mai stati inventati sono finiti anche su aerei ed elicotteri. Dai motori a vapore, motori a benzina, qualche motore diesel e tutti gli altri tipi.

Dalla nascita del volo propulso (più pesante dell’aria) ci si è però orientati sempre più verso motori a combustione interna. Fino alla Seconda guerra mondiale, i motori a pistoni sono stati i propulsori scelti con una preferenza schiacciante. Infatti, questi motori presentano un migliore rapporto peso/potenza degli altri motori (questo ovviamente fino alla nascita dei motori a getto).

Con l’aumentare del peso e delle prestazioni dei velivoli, i motori sono andati progressivamente ingrandendosi per cilindrata e potenza. Il primo Wright Flyer aveva un motore da 4 cilindri in linea e 4000 cc che sviluppava una potenza all’albero di 12 cv. Quando gli aerei hanno dovuto portare progressivamente sempre più peso sono aumentate di pari passo le prestazioni dei motori.

Dalla Prima guerra mondiale, infatti, sono nati i bombardieri e le prestazioni dei velivoli sono andate progressivamente aumentando.

Questo ha portato non solo a un aumento del carico trasportabile sugli aerei, ma anche un progressivo aumento del peso delle strutture e della necessità di carburante da trasportare. Questa tendenza è continuata fino agli anni ’60 e ’70 con la crisi petrolifera.

La frase che ha caratterizzato la ricerca aeronautica è stata “higher and faster”, il desiderio di volare più velocemente e più in alto. Dalla prima crisi petrolifera del ’73, l’industria si è concentrata maggiormente sul risparmio energetico.

Dalla fine degli anni 30-inizio degli anni 40, si è sviluppato il concetto del motore a reazione (all’inizio con il turbogetto). Con il passare degli anni, il disegno del turbogetto si è andato progressivamente eliminando, per essere sostituito dai più efficienti turboventola e turboelica.

I motori aeronautici a pistoni

Il motore a pistoni aeronautico non cambia molto da quello automobilistico o per altri usi. La grande differenza è che, come per qualsiasi altro sistema utilizzato in aeronautica, ha tutta una serie di ridondanze e sistemi di riduzione del peso.

La stragrande maggioranza di questi aerei sono propulsi da un motore a benzina. Sì, qualche aeromobile con motore a diesel è stato costruito, ma non ha avuto particolare successo, più perché abbandonato già negli anni ’30 per via di materiali che ne pregiudicavano la convenienza.

I motori a pistoni vengono comunque utilizzati ancora, soprattutto per applicazioni di bassa potenza, come ad esempio i piccoli aerei da turismo e gli ultraleggeri.

Questi motori aeronautici sono di solito molto simili agli equivalenti motori automobilistici. Solitamente hanno tra i 2 e gli 8 cilindri, e sono molto spesso raffreddati ad aria. Questo permette una maggiore leggerezza e una minore complessità. Infatti, si riduce la necessità di radiatori o circuiti dell’acqua con tutti i loro sistemi.

I motori aeronautici sono spesso investiti da aria ad alta velocità e bassa temperatura, rendendo superflua la necessità di una maggiore complessità del sistema di raffreddamento. Anche i grandi motori degli aerei della Seconda guerra mondiale erano quasi esclusivamente raffreddati ad aria.

I motori aeronautici a getto

I motori turboelica, turboventola, turbogetto e turboalbero funzionano tutti allo stesso modo.

Il prefisso turbo- sta a indicare cosa muove l’aereo: una turbina a gas. Queste turbine sono molto diverse da quelle per applicazioni statiche, per via della necessità di alleggerire molto il sistema.

Inoltre, il passaggio del fluido in una turbina a gas statica o in quelle a uso aeronautico è completamente diverso. Infatti, la turbina a gas per uso aeronautico usa una certa percentuale dei gas di scarico come sistema di propulsione (a parte nel caso dei turboalberi). La turbina a gas è formata da tre principali sistemi: i compressori, le turbine e la camera di combustione.

In questi motori la combustione è continua; quindi, da quando il motore viene acceso a quando viene spento, la combustione avviene sempre. Il problema di questa cosa è che i materiali devono reggere per un tempo continuato alte temperature, e sono quindi necessari materiali refrattari.

La turbina muove il compressore e tutti i sistemi ausiliari (non solo del motore, ma dell’intero aereo) e il principio di funzionamento è molto semplice.

La turbina funziona estraendo energia da un fluido comprimibile, in questo caso l’aria all’interno del motore. Essa è collegata a un albero solidale al compressore che comprime l’aria prima della camera di combustione. Inoltre, visto che il lavoro estratto dalla turbina è maggiore del lavoro fatto dal compressore per comprimere l’aria, all’albero della turbina vengono attaccati alternatori per la generazione di energia elettrica e pompe per mantenere i fluidi idraulici in pressione.

Infine, in alcuni casi (come nei motori turboventola e turboelica), alle turbine sono attaccate anche ventole o eliche, per aumentare l’efficienza del comune turbogetto.

Fonti

Hill, P. G., & Peterson, C. R. (1992). Mechanics and thermodynamics of propulsion. Reading.