Dopo avere ripreso l’aggiornamento della rubrica Energia e Futuro la scorsa settimana, anche questo lunedì continuiamo regolarmente con un post della serie Sistemi Propulsivi Aeronautici andando a presentare una soluzione molto particolare sviluppata per un velivolo davvero singolare che abbiamo già incontrato in queste pagine.
UN MOTORE PER MACH3 – PRATT&WHITNEY J58
Lo sviluppo del Lockeed SR-71 “Blackbird”, ma soprattutto quello del suo “cugino” e predecessore Lockheed A-12 aveva posto in evidenza la necessità di un propulsore in grado di operare fino alla velocità di Mach 3 ma che permettesse anche il funzionamento a bassa velocità per consentire il decollo autonomo, oltre ad una autonomia rispettabile adeguata alle particolari missioni di ricognizione per il quale erano stati sviluppati, pertanto se una soluzione basata su uno Statoreattore poteva apparire adeguata per il raggiungimento del target velocistico, una soluzione basata su motori Turbogetto era invece in grado di superare gli altri due obiettivi ma presentava serie difficoltà per il primo.
Dal momento che nessuna delle due soluzioni presa singolarmente poteva rappresentare una risposta soddisfacente al problema, i tecnici della Pratt & Whitney svilupparono un motore in grado di mettere insieme le caratteristiche di un turbogetto e di uno statoreattore, in modo da soddisfare interamente i requisiti del sistema propulsivo necessario alla Lockheed.
Tale motore, identificato dalla sigla J58, era in realtà stato sviluppato tra il 1956 ed il 1957 dalla Pratt & Whitney come studio interno ed identificato come JT11D, e successivamente destinato a soddisfare le esigenze della US Navy come unità propulsiva per alcuni progetti allora in fase di sviluppo (e da allora denominato J58 secondo la pratica di adottare una lettera di riconoscimento identificante il tipo di propulsore, “J” per i turbogetto, ed un codice numerico per identificare il committente, pari nel caso della Marina).
Solo successivamente esso riscosse l’interesse dall’aeronautica (e, ricordando l’origine del programma ARCHANGEL, della CIA) e della Lockeed che lo utilizzarono come unità per la propulsione dell’inedito Lockheed A-12, inizialmente motorizzato dal Pratt&Whitney J75, motore inadeguato per il raggiungimento delle prestazioni richieste dal progetto.
Tale motore, sebbene durante il suo sviluppo abbia subito varie modifiche e miglioramenti, era dotato di un compressore assiale a 9 stadi ed una turbina assiale a due stadi, mentre il combustore era di tipo tubo-anulare dotato di 8 singole camere di combustione, ed inoltre era presente un post-reattore allo scarico.
La caratteristica principale di questo motore consisteva nel disporre di sei condotti di bypass tra il quarto stadio del compressore ed il post-reattore che permettevano di fornire una maggiore portata di aria al post-reattore riducendo il contributo della turbina alla spinta, e di fatto andando ad operare in una condizione corrispondente al funzionamento di un tipico statoreattore, con la principale differenza che il P&W J58 era costruttivamente un motore turbogetto e che, seppure in percentuale limitata, un contributo alla spinta da parte della turbina (il limite minimo era intorno al 17-18% della spinta totale) era sempre presente.
Questa pratica permetteva di fornire una spinta elevata anche in condizioni nelle quali un normale turbogetto sarebbe incorso in problematiche di tipo fluidodinamico quali lo stallo ed il pompaggio del compressore, con conseguente perdita di efficienza e difficoltà nel funzionamento.
Per potere funzionare al meglio in ogni condizione operativa era stato ideato un particolare sistema di controllo del flusso a monte del compressore, ottenuto mediante la realizzazione di una presa d’aria a geometria variabile costituita da una spina conica capace di scorrere lungo assialmente alla presa d’aria che andava così a generare una sezione di aspirazione anulare costantemente variabile, come visibile nella seguente immagine:
(Courtesy of www.sr-71.org)
Nell’immagine sono visibili sulla spina conica alcuni condotti utilizzati per aspirare lo strato limite e dei condotti indicati come “shock traps” utilizzati per gestire le onde d’urto nella sezione di aspirazione, come meglio visibile nelle seguenti immagini:
(Shock Traps – Courtesy of www.sr-71.org)
(Shock Traps e by-pass – Courtesy of www.sr-71.org)
La complessità di gestione della fluidodinamica del motore ha richiesto anche l’introduzione di opportuni by-pass del flusso d’aria con lo scopo di gestire il funzionamento del motore su un range molto ampio di condizioni possibili permettendo di ridurre l’insorgenza dello stallo del compressore e limitare la temperatura massima degli ultimi stadi dello stesso, sebbene l’insieme di by-pass, la posizione della spina e tutto il resto risultino complessi da spiegare dettagliatamente.
La seguente immagine mostra lo schema del sistema di aspirazione dello strato limite, costituito da una superficie circonferenziale scanalata collocata intorno alla zona di maggiore diametro della spina, al cui interno è presente una cavità collegata con la struttura di alloggiamento del motore in modo da espellerlo all’esterno
(Sistema di aspirazione dello strato limite – Courtesy of www.sr-71.org)
Tale spina conica permetteva di gestire entro un ampio range di velocità di volo la posizione dello shock all’interno della sezione di aspirazione, facendo in modo che esso restasse sempre in prossimità della sezione di gola del condotto Venturi che si veniva a costituire dalla posizione relativa della spina rispetto alla struttura all’interno della quale scorreva.
(Spina conica e shock nella sezione di gola – Courtesy of www.sr-71.org)
Tale necessità era (ed è) comune a quella di tutti i motori turbogetto supersonici in quanto il flusso che alimenta il compressore deve essere subsonico (intorno a Mach 0.4), e pertanto si rende necessario rallentarlo mediante lo sfruttamento delle onde d’urto.
Un ottimo schema che riassume le condizioni di funzionamento e fornisce un’indicazione sulle temperature è disponibile alla pagina web www.wvi.com/~sr71webmaster/j-58~1.htm (e qui sotto riportato):
(Flusso d’aria nel motore e temperature)
(Pratt & Whitney J58)
UN COMBUSTIBILE SPECIALE PER UN MOTORE SPECIALE
Se finora il Pratt & Whitney J58 ha dimostrato di essere un motore speciale da un punto di vista funzionale, anche sul fronte del combustibile utilizzato esso presenta alcune caratteristiche particolari, infatti il combustibile in esso impiegato non è una normale benzina avio, bensì un combustibile speciale denominato JP-7 caratterizzato da una bassissima reattività in condizioni normali, fattore che ne rendeva l’impiego particolarmente sicuro ma che imponeva l’utilizzo di un sistema di ignizione, ed a tale scopo si preferì utilizzare un sistema chimico piuttosto che un sistema meccanico che avrebbe potuto creare dei problemi di affidabilità.
Il sistema di ignizione impiegava una sostanza fortemente reattiva con l’ossigeno, il TriEtilBorano (indicato con la sigla TEB), contenuta in quantità limitata (circa 600 cc) in un apposito serbatoio a bordo del velivolo ed utilizzata in tutte quelle fasi nelle quali risultasse necessaria una riaccensione del motore o parte di esso (ad esempio il post-bruciatore), e dalla quantità di TEB a bordo del Blackbird risultavano possibili almeno sedici riaccensioni, con conseguenti limiti sulla durata delle missioni in caso di problemi, in quanto non era possibile rimpiazzare questo componente durante i rifornimenti in volo ma solo a terra e con grandi precauzioni a causa della sua forte reattività.
La scelta di utilizzare il JP-7 era dovuta alle particolari condizioni operative nelle quali in Blackbird avrebbe operato, ed alla necessità di utilizzarlo per il raffreddamento di molte parti del velivolo e dei motori riducendo i rischi dovuti all’impiego di una sostanza più facilmente infiammabile e volatile quale un comune carburante avio.
CONSIDERAZIONI FINALI
Il Pratt & Whitney J58, sebbene nato senza un’applicazione ben definita fin dall’inizio, si è ben presto evoluto nel motore del Lockheed SR71 “Blackbird” e con esso ha subito miglioramenti ed evoluzioni che lo hanno reso celebre e, per un certo periodo, gli hanno reso possibile di rappresentare il più evoluto dei motori aeronautici conseguendo dei primati ancora oggi imbattuti quale quello di velocità per un aereo pilotato dotato di motori non a razzo.
E’ inoltre impressionante vedere come in assenza di avanzati strumenti tecnologici oggi di uso comune, come la simulazione fluidodinamica ma anche la disponibilità di avanzate gallerie del vento, sia stato possibile realizzare un insieme aereo-motore così particolare, sebbene la gran parte dei velivoli sin qui presentati hanno avuto gli stessi strumenti tecnologici per il loro sviluppo e tali considerazioni vadano estese anche ad essi.
Con questo è tutto anche per il post odierno, e salutandovi vi invito a continuare a seguire la rubrica Energia e Futuro anche lunedì prossimo, naturalmente sempre su AppuntiDigitali.
Continuando l’idea che viene fuori a fine articolo, ma è mai possibile che tutti questi fantastici motori, e relative idee, siano tutte state concepite frà gli anni ’50-’60 e in parte negli anni ’70 ?
Poi tutto il resto, ossia dagli anni ’80 ad oggi nulla di nulla ?
Come mai ? sono mancate le motivazioni ? i soldi ? i cervelli ?
80-90 ad oggi lo rendereanno not preumibilmente tra un lasso ditempo equivalente: tra una 30 d’anni da oggi…
Fra gli anni 80 e 2010, ossia 30 anni, tutte queste invenzioni, oltre ad essere affinate sono state reinventate con: Potenze 2-3 volte superiori a parità di consumo carburante. Si pensi che adesso i nuovi caccia raggiungono mach 1,2 senza l’ausilio del postbruciatore, hanno tutti (o quasi)lo scarico a geometria variabile, e un funzionamento normalissimo anche in mancanza di regolari flussi d’aria senza pericolosi spegnimenti alla turbina.
La piantata è molto rara al giorno d’oggi.
Le tecnologie sviluppate sono in gran parte di origine militare, e ai tempi della guerra fredda, non si badava a spese per la ricerca e alla supremazia Militare.
negli anni 80 il muro di Berlino è caduto e con esso la fine della guerra fredda e lo scontro tra il capitalismo e comunismo. Meno male dico io, concentriamoci sullo sviluppo delle rinnovabili e mori ad energia pulita. Questi motori a getto militari e non, sono fra le prime cause di inquinamento atmosferico ad alte quote.
Saluti
@ Sisko212
in realtà la ricerca prosegue costantemente, ma il periodo anni 50-70 è stato in effetti pionieristico su molti fronti e probabilmente è per questo motivo che c’è stato un così forte contributo di soluzioni
@ Lorenzo_DT
concordo sulla prima parte del tuo commento, c’è stata una grande evoluzione ma non stravolgimento, anche perché sono cambiate molte esigenze (oggi un aereo come il “Blackbird” servirebbe a poco).
le tecnologie aeronautiche sono sempre derivate da quelle militari, possono fare eccezione particolari soluzioni e dettagli specifici, ma a partire dalla ricerca sui materiali il percorso temporale segue sempre la sequenza: “Militare->Aeronautica civile->impieghi civili non aeronautici”
Tipo?
i motori sono molto più efficienti oggigiorno, ma se non si genera spinta gli aerei non volano, e la spinta richiede energia, e l’energia deve essere a bordo, tanta e non deve pesare tanto… quindi se sulla trazione stradale si può anche pensare (e richiedono una discussione molto articolata) ad altre forme di propulsione non a combustione (od ibride) sul trasporto aereo francamente non vedo nessuna soluzione all’orizzonte che non sia un “pestare l’acqua nel mortaio”, a meno che non mi sfugga qualcosa…
Ciao Simone
Nel risponderti in ordine.
Le tecnologie sviluppate sono in gran parte di origine militare, e ai tempi della guerra fredda, non si badava a spese per la ricerca e alla supremazia Militare.
le tecnologie aeronautiche sono sempre derivate da quelle militari, possono fare eccezione particolari soluzioni e dettagli specifici, ma a partire dalla ricerca sui materiali il percorso temporale segue sempre la sequenza: “Militare->Aeronautica civile->impieghi civili non aeronautici”
Dimentichi che il primo volo dei fratelli Wright fu pionieristico in quei tempi e strettamente civile, come fu il motore a scoppio che fungeva da propulsore. Una grande conquista fatta da semplici uomini comuni con la passione di volare.
Solo dopo i Militari arrivavano, intuendo l’importanza strategica del volo.
Per ultimo in campo civile, il Boeing 787 e molto probabilmente tutti i prossimi veivoli di trasporto, verranno costruiti con fusoliere e ali in fibra di carbonio, altra invenzione non militare.
Non tutto proviene dal settore militare.
“i motori sono molto più efficienti oggigiorno, ma se non si genera spinta gli aerei non volano, e la spinta richiede energia, e l’energia deve essere a bordo, tanta e non deve pesare tanto… quindi se sulla trazione stradale si può anche pensare (e richiedono una discussione molto articolata) ad altre forme di propulsione non a combustione (od ibride) sul trasporto aereo francamente non vedo nessuna soluzione all’orizzonte che non sia un “pestare l’acqua nel mortaio”, a meno che non mi sfugga qualcosa…”
Eh.. Simone, mi sembra strano che ti sia sfuggita sta cosa : http://www.flightglobal.com/blogs/flight-international/2008/04/tupolevs-cryogenic-tupolev-tu1/
Pensa che la notizia è di 5 anni fa, e il volo con combustibile a idrogeno è del 1988.
Per concludere:
http://www.globalsecurity.org/military/world/russia/aircraft-cryogenic.htm
Chiaramente l’idrogeno deve essere prodotto per elettrolisi e a energia verde, come pure la liquefazione.
Come vedi l’alternativa ce, basta investire nelle tecnologie appropriate che non siano solo esclusivamente Militari.
Notte
@ Lorenzo_DT
risalire ai fratelli Wright mi sembra poco significativo… in tanti campi i pionieri non erano animati da scopi ben precisi, ma questo non significa che evoluzioni successive lo fossero, e nel campo aeronautico lo sono
concordo al 100%, ma già era evidente nel mio precedente commento
a tuo giudizio l’uso della fibra di carbonio è un’invenzione? Come materiale esiste da tantissimo tempo, in campo automobilistico sportivo si utilizza da tanto e non è né migliore né peggiore di altri materiali… il suo impiego in campo civile è stato limitato principalmente dai costi, in campo militare i materiali compositi e le fibre vengono impiegate dove necessario, ma un’intera fusoliera penso proprio che creerebbe più problemi dovuti all’elasticità della stessa che benefici, non dimenticare che un aereo di linea deve aumentare il payload anche riducendo il proprio peso all’estremo, e non richiede le stesse caratteristiche di manovrabilità degli aerei militari
interessante ma piuttosto inutile, hai provato a chiederyi perché questa soluzione non ha preso minimamente piede? Nemmeno in versioni che anziché l’idrogeno utilizzano gas naturale? Eppure oggi è il combustibile più economico… I problemi sono ben noti (all’occorrenza posso fornire una buona lista, ma penso che sia facile intuirli facendo un elenco delle caratteristiche necessarie di un aereo civile ed una lista parallela dei problemi di ogni applicazione tecnologica senza fermarsi ad un approccio superficiale), fare dei test non significa che poi la soluzione sia compatibile con le necessità dell’aeronautica civile
su questo proprio non entro nel merito perché meriterebbe una discussione a parte che trascende dall’aeronautica
nel mio commento precedente, quando scrivo:
ho dimenticato un “NON” nella frase “ma questo non significa che evoluzioni successive NON lo fossero”
Simone, abbiamo dei punti di vista differenti.
La fibra di carbonio anche se esiste da molti anni, NON È UN’INVENZIONE DI CARATTERE MILITARE, questo era quello che volevo sottolineare, l’uso in ambito aeronautico è si una applicazione successiva , ma resta di base una invenzione prettamente civile, e verrà sempre più usata nel prossimo futuro.
Per quanto riguarda il discorso Idrogeno, se leggi bene quello che ho scritto, sottolineo che è un’alternativa , non è la soluzione.
Sta a noi, o meglio ai nostri governanti investire sul nostro futuro, e se l’idrogeno presenta serie difficoltà per immagazzinarlo in serbatoi criogenici, solo seri investimenti potranno risolvere i vari problemi di sviluppo.
Dipende sempre da che parte si vuole andare.
Se vogliamo andare sulla strada del massimo profitto possibile, il cherosene sarà sempre il più conveniente tecnologicamente ancora per diversi anni a venire, ma non lo è per l’ambiente dove viviamo.
Io sono Molto convinto che un vero sviluppo tecnologico, lo si fa anche guardando la salvaguardia del nostro benessere di salute e buon vivere nei anni a venire, oltre che economico.
E gli aeroplani si sa, inquinano molto.
La tecnologia è un fattore di scelta, ma se i governi sono caratterizzati da decisioni e scelte controllate dalle grosse Lobby e Multinazionali del greggio, la via tecnologica prende sicuramente una strada a senso unico, dove la direzione è sempre verso il profitto economico e quindi “consumo a pagamento”.
La parola “gratis o a bassissimo costo, anche se a impatto ambientale zero” da Molto Fastidio, anzi, meglio Evitare!!
@ Lorenzo_DT
concordo sul fatto che la fibra di carbonio non sia un’invenzione militare, ma di fatto non è nemmeno un’invenzione aeronautica… esiste da molto tempo prima che la Boeing decidesse di utilizzarla per il Dreamliner, quindi mi pare che con l’innovazione in campo aeronautico civile abbia un legame ben marginale.
Sul punto idrogeno dici:
la mia risposta è stata in sintesi che si tratta di una alternativa che non risolve i problemi ma ne crea di irrisolvibili, e ti invito a fare la famosa tabella che ti ho suggerito al precedente commento… tieni presente che uno dei problemi non è il disporre di serbatoi criogenici, ma di AVERLI A BORDO…
verissimo, ma è meglio che i governanti decidano solo dopo avere consultato chi i problemi li deve risolvere… non basta dire che si vuole la pace nel mondo per averla
verissimo anche questo, “sta a noi”, e proprio per questo se ritengo che gli aerei inquinino non li prendo, se le auto inquinano uso la bicicletta e così via… a continuare su questa linea che i governanti qui, le aziende e le lobby cattive là e tutti sono responsabili di come va il mondo (tranne noi) si fa solo populismo (e pure ipocrita) un tanto al chilo
non capisco se tu sia convinto che ricerca non se ne faccia o che la si faccia nelle direzioni sbagliate, perché a questo punto mi permetto di dirti che se sei convinto che l’idrogeno sia la nuova frontiera prova ad esaminare la faccenda da un punto di vista tecnico e dedicartici seriamente… e ti invito con insistenza a fare la famosa lista delle caratteristiche e dei problemi che ogni soluzione comporta e trarne le ovvie conclusioni
Credimi, sono fermamente convinto anche io che l’ambiente vada rispettato il più possibile e che ci si debba impegnare per salvaguardarlo, ma se sei una di quelle persone che vivono con la convinzione delle lobby cattive che ostacolano ogni progresso ti invito, da ricercatore, a fare tu ricerca e risolvere i problemi che frenano uno sviluppo eco-friendly (e non lo dico in tono offensivo), ma che non sia semplicemente un ritorno imposto al pre-sviluppo industriale in stile “decrescita felice” (tra l’altro chi vuole decrescere, e non sto dicendo che tu lo sia, dia il buon esempio rinunciando a tutto ciò che contesta)
@ Simone Serra (tra l’altro chi vuole decrescere, e non sto dicendo che tu lo sia, dia il buon esempio rinunciando a tutto ciò che contesta) Concordo pienamente.
@Lorenzo_Dt non per far polemica, io ho colleghi convinti che la scocca della loro macchina sia fatta in kevlar e guai a dirgli il contrario. Onestamente credo che qualsiasi persona con la testa a posto vorrebbe un mondo meno inquinato eppure come dice Serra nessuno è disposto a rinunciare alle “comodità” “prima si scriveva sulla carta e si inquinava, per risolvere il problema hanno introdotto i supporti informatici per “inquinare meno” ora si usa il pc e si scrive sulla carta”. Onestamente meglio lasciar perdere i nostri governanti e le lobby di cui ne fanno parte, ci vorrebbe una sana autodisintossicazione dei lussi a cui siamo abituati e decretare la fine di certe imposizioni commerciali semplicemente non comprando, troppo comodo sputare nel piatto dove si mangia.
Ps: ma poi valutare il rendimento/autonomia/peso e in questo campo pure tutte le variabili che comportano un volo sicuro no eh? quando inventeranno le batterie a fusione fredda che peseranno qualche centinaia di kg magari sarà interessante rivedere gli aerei ad elica, e forse li preferirò ad altri mezzi di trasporto chi lo sa :)
@Simone Serra certo che è sempre piacevole leggere questi articoli, ho appreso che hai cambiato attività quindi niente più studi sui motori HCCI ?
o erano motori SACI mmm
@ Smoke.kills
Erano PPC e simili… tra Lund e Napoli il tiro era un po’ cambiato… e nell’ultimo anno a Napoli era cambiato ancora di più (microcogenerazione)… ora ho dovuto cambiare ancora perché quando sei precario, a meno di avere qualcuno che ti sostiene dentro l’istituzione dove lavori (diciamo qualcuno che conta e che fa di tutto per “portarti dentro”), sei costretto ad inseguire i contratti e saltare anche su vari argomenti ed istituzioni… diciamo che il mio cambiamento è stato dettato dalla necessità, non dal desiderio…
@ Simone
mi dispiace,purtroppo sono ben conscio del problema, e non vorrei finire ot, ti auguro di ritornare “in pista” seguendo quelle che sono le tue vere capacità, purtroppo il futuro non è in italia.
@ Smoke.kills
Ti ringrazio e sto controllando le posizioni anche fuori Italia, ma non è che stia trovando molto… (comunque non è che fuori dall’Italia non ci siano comportamenti “Italiani”, stando in Svezia ho imparato che, in una misura o nell’altra, tutto il mondo è paese)