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Propellente

Che cos'è un propellente?

Con il termine di propellente si intende un materiale che, reagendo in condizioni opportune, sviluppa calore e fornisce particelle di espulsione, come avviene per esempio nei motori a razzo.

Un propellente costituisce pertanto sia una fonte di energia sia un fluido motore; ciò lo differisce da un combustibile che invece fornisce principalmente solo una fonte di energia; il calore di combustione per unità di volume dei prodotti gassosi della combustione dei propellenti risulta però notevolmente più elevato di quello ottenibile dai combustibili tradizionali.

I propellenti, quando si debba raggiungere una temperatura della fiamma particolarmente elevata od ottenere una grande spinta meccanica (come nei missili a lunga gittata e negli stadi propulsivi dei veicoli spaziali), sono di solito combustibili speciali, ottenuti mediante sintesi chimiche.

Classificazione dei propellenti

A causa del gran numero di parametri che caratterizzano i propellenti è difficile classificare questi ultimi in modo rigoroso. Tenendo conto di alcune caratteristiche chimiche e fisiche, comuni ai diversi prodotti, e di alcune analogie nel comportamento durante l'accensione, si possono classificare i propellenti innanzitutto in tre grandi classi:

  • liquidi;
  • solidi;
  • ibridi.

Anche se un propellente brucia allo stato gassoso, può essere trasportato, sotto opportuna pressione, allo stato liquido per risparmiare spazio. Per esempio l'ossigeno liquido e l'idrogeno liquido sono i più importanti componenti di propellenti liquidi e vengono trasportati in scomparti separati tra loro e dalla camera di combustione; i propellenti solidi sono invece sempre situati nella stessa camera di combustione.

Sezione di un razzo

I due componenti liquidi di un propellente vengono trasportati in scomparti separati tra loro e reagiscono nella camera di combustione. Dall'ugello eiettore fuoriescono le particelle di espulsione.

I due tipi di propellenti comportano notevoli differenze nella struttura del motore e nel controllo della spinta.

1) propellenti liquidi

Possono essere classificati in due categorie principali:

  • monopropellenti, sono costituiti da un solo composto capace di liberare prodotti gassosi per mezzo di reazioni esotermiche. Noto particolarmente è il nitrometano (CH3NO2).
  • bipropellenti, sono costituiti da un combustibile e da un ossidante, trasportati separatamente nel veicolo, messi a contatto solo al momento dell'impiego. Uno dei più efficaci sistemi propulsivi di questo tipo consiste di idrogeno liquido (combustibile) e fluoro liquido (ossidante).

Recentemente l'acqua ossigenata a elevata concentrazione (90%) ha trovato notevole crescente impiego nei propellenti chimici per razzi.

Le sostanze propellenti sono generalmente liquide e, mescolate fra loro, reagiscono violentemente con sviluppo di calore e formazione di gas e vapori. Se il miscelamento avviene in opportuni recipienti si possono generare pressioni elevatissime che sottopongono le parti mobili ad accelerazioni notevoli adatte alla propulsione dei razzi.

Il sistema perossido di idrogeno - permanganato ha trovato utilizzazione pratica: le due sostanze in soluzione acquosa concentrata vengono portate a contatto, forzandole sotto pressione attraverso ugelli, nella camera di reazione. Si innesca la reazione di ossidazione dell'acqua ossigenata da parte del permanganato:

5 H2O2 + 2 MnO4- + 6 H+ → 2 Mn2+ + 8 H2O + 5 O2

che catalizza la reazione di decomposizione dell'acqua ossigenata.

Nei combustibili per razzi e missili sono usati ammoniaca, o idrazina, o loro derivati e ossidanti quali appunto l'acqua ossigenata pura, od ozono, o tetrossido di diazoto (ipoazotide); si usano pure idruri di boro o loro derivati.

2) propellenti solidi

Sono miscele di materiali ossidanti e riducenti che possono coesistere allo stato solido a temperatura ordinaria. Quando vengono innescati, bruciano generando un gas caldo.

Un propellente solido di norma ha tre componenti essenziali: ossidante, combustibile e additivi.

Gli ossidanti comunemente usati nei propellenti solidi sono i perclorati di ammonio e potassio, i nitrati di ammonio e potassio, e vari nitrati organici come la nitroglicerina.

I combustibili comuni sono idrocarburi o derivati degli idrocarburi, come gomme sintetiche, resine sintetiche, cellulosa o derivati della cellulosa.

Gli additivi, di solito presenti in piccole quantità, vengono scelti tra un'ampia varietà di materiali e servono per vari scopi; i catalizzatori o inibitori sono usati per aumentare o diminuire la velocità di combustione; gli stabilizzatori possono essere usati per rallentare i cambiamenti indesiderabili che possono avvenire durante un lungo immagazzinamento.

3) propellenti ibridi

Per fornire energia i propellenti ibridi fanno uso di una combinazione di più materiali, in genere liquidi e solidi.

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