Il motore a reazione (turbogetto e turboventola) genera la spinta che muove gli aerei accelerando una grande massa d’aria verso poppa. Il principio fondamentale è la terza legge di Newton: per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria. Spingendo indietro l’aria con forza, il motore riceve in cambio una spinta in avanti. Non spinge contro l’aria esterna come un’elica contro un muro: accelera un flusso e ne raccoglie la reazione.
A differenza di un motore a pistoni, il motore a reazione lavora con un flusso continuo d’aria che attraversa una sequenza di organi rotanti. L’aria entra, viene compressa, riscaldata bruciando combustibile, espansa in turbina e infine espulsa ad alta velocità. Il cuore termodinamico è il ciclo Brayton, lo stesso delle turbine a gas terrestri.
Spinta e terza legge
La spinta nasce dalla variazione di quantità di moto del flusso. In forma semplificata, per un getto che accelera l’aria dalla velocità di volo V_0 alla velocità di uscita V_e:
dove \dot{m} è la portata massica d’aria. La spinta cresce sia accelerando di più il flusso (alto V_e), sia trattando più aria (alto \dot{m}). Questa distinzione è decisiva e separa due filosofie di motore: dare molta velocità a poca aria (turbogetto puro) oppure poca velocità in più a moltissima aria (turbofan). La seconda strada è più efficiente alle velocità di volo subsoniche, come si vedrà.
Il ciclo Brayton
Il funzionamento termodinamico è un ciclo aperto a quattro fasi ideali:
| Fase | Trasformazione | Organo |
|---|---|---|
| 1 | compressione | compressore |
| 2 | riscaldamento a pressione costante | camera di combustione |
| 3 | espansione | turbina + ugello |
| 4 | scarico in atmosfera | flusso uscente |
L’aria viene compressa, riscaldata bruciando combustibile a pressione circa costante, poi espansa producendo lavoro. Il rendimento ideale del ciclo Brayton dipende solo dal rapporto di compressione r_p = p_2/p_1:
dove \gamma è il rapporto dei calori specifici dell’aria. Più alto il rapporto di compressione, più alto il rendimento: ecco perché i motori moderni spingono il rapporto di compressione complessivo a valori molto elevati. Il limite è la temperatura massima sopportabile dalla turbina.
Gli organi del motore
Il flusso attraversa in serie quattro sezioni principali.
Compressore. Una serie di stadi di palette rotanti (rotore) e fisse (statore) innalza progressivamente la pressione dell’aria in ingresso. È mosso dalla turbina tramite un albero comune. Comprimere richiede lavoro: gran parte della potenza estratta dalla turbina serve proprio ad azionare il compressore.
Camera di combustione. Qui si inietta e si brucia il combustibile a pressione circa costante, innalzando fortemente la temperatura del gas. Il bilancio termico aggiunge energia al flusso senza (idealmente) aumentarne la pressione.
Turbina. Il gas caldo e ad alta pressione si espande attraverso gli stadi di turbina, cedendo lavoro per trascinare il compressore (e, nei turbofan, la ventola). La turbina lavora alle temperature più alte del motore: la sua resistenza termica è il vincolo tecnologico centrale.
Ugello. Il gas residuo, ancora ad alta energia, si espande nell’ugello e ne esce ad alta velocità V_e, generando la spinta. L’ugello converte la pressione residua in energia cinetica del getto.
Perché serve la turbina
Un punto spesso frainteso: la turbina non produce la spinta. La turbina estrae solo il lavoro necessario a muovere il compressore (e la ventola). L’energia che resta nel gas dopo la turbina è ciò che l’ugello trasforma in getto veloce. Il motore è quindi un sistema autosostenuto: l’aria compressa e bruciata produce abbastanza energia per comprimere altra aria e avanzare un getto utile in più.
All’avviamento questo equilibrio non esiste ancora: un motorino di avviamento porta il compressore a una velocità sufficiente perché la combustione diventi autosostenuta, poi si stacca.
Turbogetto, turbofan, turboelica
La famiglia dei propulsori a turbina a gas si differenzia per come distribuisce energia tra getto e aria trattata.
| Tipo | Strategia | Regime ottimale |
|---|---|---|
| Turbogetto | poco aria, getto molto veloce | alta velocità, supersonico |
| Turbofan | molta aria, getto moderato | subsonico, aviazione civile |
| Turboelica | turbina muove un’elica | basse velocità, voli corti |
Il turbofan aggiunge davanti una grande ventola che accelera moderatamente una portata d’aria molto maggiore, in parte deviata attorno al nucleo (flusso freddo) senza passare per la combustione. Il rapporto di by-pass misura quanta aria aggira il nucleo rispetto a quanta lo attraversa.
L’efficienza propulsiva è alta quando la velocità del getto è vicina a quella di volo:
Accelerare molta aria di poco (turbofan ad alto by-pass) dà spinta con V_e vicino a V_0: efficienza propulsiva alta, consumi bassi, meno rumore. È la ragione per cui tutta l’aviazione civile moderna usa turbofan ad alto rapporto di by-pass, e non turbogetti puri.
Postcombustore
Nei motori militari si aggiunge talvolta un postcombustore: si inietta altro combustibile nel flusso a valle della turbina, sfruttando l’ossigeno residuo per riscaldare ulteriormente il gas prima dell’ugello. La spinta aumenta molto, ma il consumo cresce enormemente. È una soluzione per spinte di picco transitorie (decollo, supersonico), non per crociera.
Limiti reali
Le prestazioni dipendono da numerosi vincoli e compromessi:
- la temperatura d’ingresso turbina limita il rendimento: serve raffreddamento delle palette e materiali avanzati (superleghe, rivestimenti, ceramiche);
- il rapporto di compressione è limitato da peso, stabilità del compressore (stallo, pompaggio) e temperature;
- alta velocità del getto migliora la spinta ma peggiora efficienza propulsiva e rumore;
- l’efficienza cala fuori dal punto di progetto (quota, velocità, regime diversi);
- l’integrazione presa d’aria-motore-ugello è critica, specie in transonico e supersonico;
- consumo, peso, affidabilità, emissioni e rumore sono in tensione tra loro.
Il progetto di un motore è un compromesso tra spinta, consumo, peso, durata e rumore per uno specifico inviluppo di volo.
Sintesi operativa
Il motore a reazione produce spinta per reazione: accelera un flusso d’aria verso poppa e ne riceve la spinta in avanti, F = \dot{m}(V_e - V_0).
Il cuore è il ciclo Brayton: comprimere l’aria, bruciare combustibile a pressione costante, espandere in turbina quel tanto che basta a muovere il compressore, e convertire l’energia residua in getto veloce nell’ugello. La scelta strategica è come distribuire l’energia: molto getto a poca aria (turbogetto, regimi alti) oppure poco incremento di velocità a moltissima aria (turbofan ad alto by-pass, aviazione civile), perché l’efficienza propulsiva è massima quando la velocità del getto è prossima a quella di volo. È questo equilibrio tra termodinamica del ciclo ed efficienza propulsiva, sotto il vincolo della temperatura di turbina, a definire quanto un motore spinge e quanto consuma.