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.
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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