INDICE

Cosa significa costruire un modello spaziale

Cominciamo dall'inizio

Motori per modelli spaziali

Accensione e lancio

Modelli in volo

Stabilità e forma

Modelli a più stadi

Dispositivi di recupero

Razzi a rientro veleggiato

Costruzione e volo di grandi modelli

Determinazione dell'altezza

Poligoni di lancio

Club e gare

Missili con propulsione a razzo
di G.Harry Stine
ATTENZIONE: Le informazioni contenute in questo libro risalgono agli anni 60. Alcune di esse potrebbero non essere piú valide oggi

CAPITOLO III
Motori per modelli spaziali

Si è già avuto modo di insistere sul fatto che è davvero sconsigliabile tentare di costruire da soli il motore. Se infatti, si pensa che la sua costruzione è molto pericolosa, difficile e dispendiosa e che i risultati ottenuti sono in genere poco lusinghieri, c'è veramente da chiedersi cosa ci si ricavi a ostinarvisi. Del resto i motori commerciali sono quanto di meglio si possa pretendere: sono sicuri, a buon mercato, realizzati con i materiali migliori, e disponibili in una gamma vastissima di tipi.

In questi ultimi anni si valuta a circa 4.000.000 il numero di motori venduti (in America) senza che si abbia avuto notizia di qualche incidente capitato a causa di un imperfetto funzionamento.

Negli Stati Uniti d'America esistono varie ditte che li fabbricano, tutte ormai ricche di una solida esperienza, e con una produzione tale da soddisfare anche i clienti più esigenti. La Società americana di missilistica ha provveduto a standardizzarli uniformando dimensioni e potenza, in modo da mettere ordine in tutta la materia: si va dalla serie 1/2 A, alla serie F, cui appartengono i motori più potenti (v. Tab. 3).

Per eliminare qualunque motivo di confusione, passeremo ora in rassegna i vari termini scientifici necessari quando si parla di motori. Per spinta si intende la forza sviluppata da un motore in funzione, generalmente misurata in Newton. La sua origine risiede nel fatto che il gas si scarica a velocità elevatissima, addirittura supersonica, dal retro del motore: il che significa applicare al modello una forza che tende a spingerlo in avanti d'accordo con la Terza Legge della Meccanica, dovuta a Isacco Newton, che stabilisce come: "ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria". La spinta di un motore non si mantiene costante, ma varia nel tempo: si parla cosi di spinta massima, intesa come la forza massima sviluppata durante il funzionamento del motore, e di spinta media che definiremo più avanti.

Per durata si intende l'intervallo di tempo misurato in secondi, compreso fra l'accensione e lo spegnimento: occorre ricordare che il motore si spegne spontaneamente quando ha esaurito il proprio combustibile, ma che qualunque tentativo di anticipare tale istante riesce inutile e spesso rischioso. Una durata di 2 secondi è considerata già fuori dal normale. È molto importante poi conoscere l'intervallo di tempo fra l'accensione e l'istante in cui si sviluppa la spinta massima: tale grandezza viene chiamata T-max, ed è basilare per sapere con quale velocità il modello si stacca dall'apparato di lancio (vedi diagrammi fig. 29).

Allo scopo di determinare accuratamente spinta, spinta massima, durata e T-max, e altri parametri operativi, è opportuno sottoporre il modello a prove statiche: a tale scopo lo si assicura rigidamente a una base fissa, gli si collegano alcuni strumenti di registrazione e lo si accende. Quasi sempre, questo tipo di esperimento viene fatto soprattutto per determinare come varia la spinta in funzione del tempo, per ricavare cioè dalle registrazioni il diagramma spinta-tempo. In commercio esistono vari apparecchi per effettuare rilievi sperimentali di questo tipo: sono abbastanza semplici da maneggiare e funzionano tutti secondo lo stesso meccanismo. Il motore si appoggia contro una o più molle, che sotto l'effetto della spinta subiscono un accorciamento ad essa proporzionale: a seguito di ciò si ha lo spostamento di una punta scrivente che lascia una traccia sopra un foglio di carta che si va avvolgendo su un tamburo.

Poiché un motore usato per un rilievo sperimentale delle sue caratteristiche diventa automaticamente inutilizzabile per il volo, sorge il problema di riconoscere se altri motori dello stesso tipo avranno un comportamento simile. In realtà è impossibile saperlo con certezza, ma è abbastanza facile supporlo, se si pensa a come i costruttori effettuano prove di questo genere. Tutta la produzione viene suddivisa in partite di 100 unità e fra queste ne viene scelta una a caso da sottoporre alla prova; se l'esito è positivo, l'intera partita viene messa in vendita, se negativo, viene respinta e distrutta. Una volta approvata, si può garantire a occhi chiusi il funzionamento di tutta la partita; infatti, l'esperienza è talmente vasta da permettere di dire che, se un campione funziona bene, allora tutta la partita è perfetta.

Fig. 23. Alcuni tipi di motori in commercio negli USA nel 1963

Prendendo la curva spinta-tempo e calcolando l'area da essa delimitata, appoggiandoci sopra un foglio trasparente quadrettato e contando i quadrettini (o facendo uso di un planimetro), si determina una grandezza conosciuta come impulso totale-Newton spinta. per secondi di durata o, semplicemente, Newton-secondi. Se il motore in esame esercitasse una spinta costante dall'accensione allo spegnimento, si potrebbe calcolare l'impulso totale moltiplicando la spinta per la durata, ma sfortunatamente per questo tipo di conto nessun motore presenta un grafico cosi semplice.

La definizione esatta di impulso totale, cosi come viene data dal libri di fisica, si ricollega alla variazione di quantità di moto di un oggetto sotto l'effetto di quella spinta che è durata quel certo intervallo di tempo. La quantità di moto è una massa moltiplicata per una velocità: a pari massa quindi un motore in grado di esercitare un impulso maggiore imprime al modello una velocità maggiore, il che in ultima analisi significa maggiore altezza. Più avanti discuteremo nei particolari queste leggi di fisica: per ora ci accontentiamo di sottolineare che il fattore importante per decidere se un motore fa al caso nostro non è la sola spinta, ma piuttosto la spinta per la durata, ovvero l'impulso totale.

Fig. 24. Irving Walt, del Centro sviluppo missili, mostra lo strumento da lui costruito, capace di rilevare la curva spinta-tempo di un motore.

Fig. 25. McLane Tilton Jr. sistema un motore in uno strumento di prova, di tipo elettronico, per determinarne le caratteristiche.

Fig. 26. Il motore durante la prova statica.

Nel sistema metrico internazionale non c'è confusione fra unità di forza e unità di massa, cosi come avviene nel sistema anglosassone; poiché la tendenza è di adottare ovunque quello metrico, è bene che anche il modellista impari a maneggiare il suo impulso in termini di Newton-secondo. Un Newton (abb. Nw) è l'unità internazionale di forza, definita come quella forza in grado di imprimere a un corpo di massa unitaria, e cioè di un kg-massa, l'accelerazione di un metro al secondo per secondo. La spinta è una forza, quindi la sua unità di misura è il Newton (mentre nel sistema inglese si ha una unità di misura diversa, denominata libbra). L'impulso totale, di conseguenza, sarà misurato in termini di Newton-secondo (mentre nel sistema inglese si ricorre alla libbra-secondo}. Passare dalle unità anglosassoni alle internazionali non è comunque difficile, poiché basta moltiplicare il loro valore numerico per un fattore che vale 4,46. Le norme per il modellismo spaziale stabilite dalla Federazione Internazionale di Aeronautica sono scritte nel sistema metrico, e presto lo saranno anche quelle della Associazione americana di missilistica.

I motori in grado di esercitare una spinta elevata si presentano agli occhi di un incompetente o di un superficiale come quelli che offrono i migliori risultati, ma non è così. Se qualcuno si vanta della spinta del suo motore, è il caso di zittirlo domandandogli quanto valgono la durata e l'impulso: 50 Nw di spinta possono difatti destare meraviglia, ma il modello ne trae ben poco vantaggio se la durata si limita solo a un ventesimo di secondo! Non solo è improbabile che acquisti grande velocità, ma è certo che sotto l'effetto di sollecitazioni di questo genere molto difficilmente resterà intatto. In base a considerazioni di questo tipo, la NAR ha deciso di classificare i motori in base all'impulso totale.

Per spinta media si intende il rapporto impulso-totale/durata, cioè una grandezza misurata in Nw, che esprime quale sarebbe la spinta se il motore avesse un funzionamento costante nel tempo; essa si rivela particolarmente comoda nei conti, soprattutto quando non si abbia voglia, o possibilità, di addentrarsi in calcoli impegnativi.

Una volta in possesso di queste cognizioni di base, ritorniamo alla costruzione di un tipico motore per modelli spaziali.

Fig. 27. Sezione longitudinale di un tipico motore.

Il contenitore del motore è normalmente realizzato con materiali non metallici: a onor del vero, in commercio non mancano esempi dell'uso in questo campo di sottili fogli di alluminio, ma la tendenza generale è di fare uso di carta, perché i vantaggi che si traggono sono molteplici. Precisamente:

1 - Un tubo di carta, se ben fatto, è molto robusto e in grado di resistere a enormi pressioni interne: facendo prove su un tubo con diametro interno di 1 cm ed esterno di 1,5 cm, si è visto che regge bene fino a pressioni di 70 atm.

2 - La conducibilità termica della carta è scarsa, il che comporta ovvi vantaggi quando tali motori sono montati su modelli di carta o legno: si ha infatti solo un modesto riscaldamento della superficie esterna del motore, cosicché è anche possibile tenerlo in mano o toccarlo senza minimamente scottarsi.

3 - Il costo dell'involucro di carta è molto basso, il che riduce il prezzo globale del motore.

4 - Quando si carica il combustibile nel contenitore sotto alte pressioni, il contenitore cede come una sacca, trattenendo di conseguenza il combustibile in posto; è un fatto importante perché semplifica il processo di fabbricazione.

Può meravigliare l'uso di carta in un aggeggio in cui ha luogo un processo di combustione ad alta temperatura, perché potrebbe sembrare che debba necessariamente incendiarsi; in realtà non capita cosi e per convincersene basta pensare che, mentre è molto facile dar fuoco a un sottile foglio, è altrettanto difficile far bruciare un pacco di fogli sovrapposti, come un elenco del telefono. Il contenitore è formato da più strati di carta avvolti l'uno sull'altro ed è perciò in grado di resistere ottimamente e di bruciacchiarsi al più in corrispondenza della parte interna.

Dentro l'involucro sono contenute tutte le parti del motore. In fondo troviamo un ugello formato da sostanze argillose che sono state compresse a1l'atto della fabbricazione. La sua forma e le sue dimensioni costituiscono un elemento di estrema importanza e vanno perciò progettate con cura: la forma è' strettamente correlata alla spinta sviluppata e la dimensione regola l'efflusso del gas. Quest'ultimo effetto è molto critico, poiché se l'ugello è troppo piccolo e il gas non può fuoriuscire, allora la pressione interna sale a valori tali da spazzar via letteralmente il boccaglio, riducendolo praticamente in polvere.

Subito dopo l'ugello troviamo la carica di combustibile. Fino a qualche anno fa si usava praticamente la comune polvere nera, ma ora i costruttori hanno sviluppato un certo numero di propellenti diversi, con nomi strani quali Astronide e Bradamide. In genere sono custoditi gelosamente e ricoperti da brevetti e segreti industriali, ma hanno in comune il fatto di essere tutti solidi, perché ci si è accorti da tempo che i vantaggi che si hanno sui propellenti liquidi sono molteplici: la costruzione diventa molto più semplice, si guadagna in praticità e si rende possibile l'immagazzinamento.

Il combustibile viene normalmente caricato sotto forma di polvere, perché cosi è molto più comodo; poi una pressa idraulica lo comprime in condizioni controllate ma sufficienti per far avvenire il processo di " sinterizzazione ": i vari grani di polvere si saldano, per così dire, insieme diventando alla fine qualcosa di estremamente compatto e rigido.

Un grano di combustibile solido brucia solo sulla parte di superficie esposta all'aria: il processo di combustione produce gas caldi che escono violentemente dall'ugello generando la spinta. La quantità di gas generato dipende dall'area che sta bruciando e cresce con essa: ad area maggiore corrisponde maggiore quantità di gas e quindi spinta maggiore. Una polvere ha una grande superficie esposta che la mette perciò in grado di generare in poco tempo enormi quantità di gas, con una combustione che inoltre si riesce a regolare molto difficilmente: al contrario una polvere sinterizzata si comporta in maniera molto più regolabile e prevedibile, perché l'area di combustione può essere tenuta sotto controllo e dimensionata nella maniera più opportuna. Come conseguenza immediata ne deriva che non si deve mai rimuovere il combustibile di un motore, perché inevitabilmente lo si frantuma: se, per caso, come è probabile, dovesse accendersi, il fenomeno sarebbe caratterizzato da un'estrema violenza e quindi da un'alta dose di pericolosità.

Per ottenere il tipo di spinta voluta, i costruttori si servono proprio del fenomeno appena descritto, dando al combustibile sinterizzato una forma opportuna. La fig. 28 mostra due soluzioni tipiche e frequenti: la prima è una disposizione tipo sigaretta, perché il combustibile brucia solo a un'estremità, ottenendo quindi una spinta costante, perché l'area si mantiene costante. La seconda presenta invece un vuoto in corrispondenza della zona centrale: è quindi caratterizzata da una maggior superficie esposta, da spinte decisamente più forti, ma di durata nettamente inferiore se, come si può supporre, la velocità con cui il combustibile brucia non varia da un caso all'altro. Nella fig. 29 si riportano alcuni diagrammi caratteristici spinta-tempo. È anche possibile sfruttare una combinazione dei due tipi e costruire un motore, - il cui diagramma caratteristico è riportato nello stesso grafico - che all'atto dell'accensione genera una spinta notevole perché la sua parte. terminale presenta una cavità simile a quella in fig. 28 b, per tornare poi a un comportamento tipo sigaretta, con spinta costante. In questo modo si ha il vantaggio di avere all'atto della partenza notevoli accelerazioni che permettono al modello di alzarsi immediatamente con velocità elevate,: e poi una spinta minore ma costante, che rende il volo sicuro e progressivo. Inutile dire che per un modello a un solo stadio un funzionamento di questo tipo è quanto di meglio si possa auspicare.

Fig. 28. Sezione longitudinale e trasversale di due diversi tipi di motore: l'uno (a) brucia a una sola estermità, mentre l'altro (b) hauna superficie utile maggiore.

In pratica la curva spinta-tempo per un motore del secondo tipo riesce abbastanza deformata perché è impossibile accendere contemporaneamente tutta la superficie esposta: l'accensione avviene per forza di cose nella parte posteriore e solo in un secondo tempo si propagherà dappertutto, causando un sensibile ritardo nello sviluppo della spinta massima. Val anche la pena di ricordare che motori di questo tipo sono spesso usati negli stadi inferiori di un modello a più stadi o per far alzare carichi pesanti.

Subito alle spalle del combustibile vero e proprio esiste una carica secondaria di sostanza combustibile, che però ha la proprietà di bruciare lentamente ed è per questo conosciuta come ritardo. Quando il motore si spegne, il modello si sta muovendo con una velocità di 150-500 km/ora ed è quindi in grado di guadagnare ancora quota per il semplice effetto dell'inerzia: scopo del "ritardo" è di permettere tutto ciò, guadagnando preziosi secondi, prima che scatti il sistema di recupero. Una volta che il combustibile è esaurito si accende automaticamente questa carica rallentata, che non produce praticamente nessuna spinta effettiva ma serve soltanto perché in un motore già acceso tutto deve avvenire in sequenza e senza interruzioni: pertanto, se si vogliono dilazionare nel tempo i vari effetti, occorre introdurre fra di essi qualcosa che possa effettivamente separarli.

Fig. 29. Diagrammi spinta-tempo per vari tipi di motore.

Nel momento in cui questa carica si spegne, contemporaneamente accende una piccolissima quantità di polvere detta "carica di espulsione", che brucia rapidamente generando un discreto volume di gas: tutto ciò provoca lo spostamento del tappo di carta che viene, in un certo senso, a chiudere il motore, con conseguente pressurizzazione del modello. In questo modo entra in funzione il dispositivo di recupero del modello.

È molto importante osservare che un motore commerciale non richiede assolutamente che il modellista si metta a maneggiare combustibile o altri reagenti chimici. tutta compreso nel piccolo involucro di carta e, una volta avvenuta l'accensione, tutto si svolge automaticamente e in sequenza: si ha prima la fase di spinta, il volo per inerzia mentre brucia il " ritardo " e poi il recupero. Da parte del modellista è richiesto solo di scegliere il motore che presenti un impulso totale, una spinta massima, un T-max, un ritardo e una spinta media adatti allo scopo.

Negli Stati Uniti d'America l'Associazione di missilistica ha provveduto a classificare i motori secondo un codice che è attualmente adottato dalla maggior parte dei produttori, introducendo alcune sigle di riconoscimento dalle quali è possibile avere un'idea di tutte le principali caratteristiche del motore. Ma per avere le informazioni su tutte le caratteristiche di un motore, occorre consultare una tabella più particolareggiata come quella pubblicata dalla NAR o dal fabbricanti di motori.

I motori vengono raggruppati in funzione dell'impulso totale: per esempio si può parlare di A8-3, B8-0, D2-3, B3-5, e F11-3. La prima lettera indica il campo d'impulso totale nel quale è classificato il motore, in accordo con quanto specificato nella seguente tabella:

Il primo numero indica la spinta media in libbre o parti decimali di essa: per esempio nel tipo B3-5 la spinta media è di 3 libbre*; per quanto questo motore abbia lo stesso impulso totale del tipo B8-6, il primo numero ci mette chiaramente in evidenza che la spinta media è diversa.

(*ATTENZIONE: questo paragrafo contiene un errore. La spinta media è in newton e NON in libbre!)

L'ultimo numero serve a indicare i secondi che la carica ritardata impiega per bruciare completamente ed è forse la parte più importante di tutta la classificazione. Se vale zero (come per esempio nel B3-0), questo significa che il motore va bene per il primo stadio di un modello a più stadi, dove la carica di espulsione deve entrare in funzione subito dopo la fine dell'azione di spinta. Un tipo B3-5 avrebbe le stesse caratteristiche' del tipo B3-0, ma con in più un ritardo di 5 secondi utile per l'ultimo stadio, o per un modello a un solo stadio.

Fig. 30. Tre motori "Adast RM 2,5/5" costruiti a Dubnica (Cecoslovacchia): sono comparabili con il tipo A 8-3 costruito negli USA.

Per quanto questo tipo di classificazione tenga conto solo dell'impulso totale e della spinta media, senza fornire informazioni esatte sulla curva spinta-tempo, sulla spinta massima e sulla durata, tuttavia la sua diffusione è andata sempre crescendo da quando è stata introdotta nel 1959: probabilmente altri codici potrebbero essere progettati, ma il presente codice NAR è già di uso corrente.Come abbiamo avuto modo di vedere, un motore è un congegno che solo apparentemente sembra semplice, ma che in realtà è discretamente complesso. In genere i tipi oggi prodotti provengono da un cumulo di esperienze precedenti, da uno studio accurato dei fenomeni connessi, e hanno richiesto mesi per essere messi a punto in maniera tale da raggiungere l'attuale livello di perfezione. Migliaia di dollari sono stati spesi per i macchinari per la costruzione di motori. Spesso, questi macchinari sono pericolosi ad usarsi. Molto credito va al fabbricanti di motori per questi modelli: essi si sono sottoposti a gravi rischi per costruire quel semplice, piccolo involucro di cartone contenente il combustibile.

La produzione di motori viene fatta con macchine completamente automatiche: i contenitori vuoti sono trasportati da una specie di nastro mobile e passano sotto serbatoi che contengono il combustibile in polvere, la carica ritardata e quella di espulsione; la macchina provvede a tagliare e a inserire anche il tappo di carta, controlla il peso dei pezzi finiti, li conta, stampiglia sopra la etichetta e li lascia cadere in un recipiente opportuno. Se il pezzo non è perfetto e presenta qualche anomalia, viene automaticamente scartato, senza essere messo in conto: se poi qualcosa non funziona bene, la macchina si ferma da sola. L'energia motrice, che non può essere di origine elettrica, perché i rischi di esplosione sarebbero enormi, viene fornita da un circuito idraulico (o ad aria compressa) che fa capo a un'enorme pompa (o compressore}, sistemata in una costruzione lontana qualche decina di metri da qualunque altro edificio. A nessuno è permesso di avvicinarsi durante l'operazione, cosicché anche il comando di questa favolosa pompa, conosciuta con il nome di "Mabel", è fatto a distanza. Il ritmo di produzione di una fabbrica di questo tipo si aggira intorno a un motore ogni 5 secondi circa; si stima che fino a oggi siano stati messi in vendita oltre un milione di esemplari.

Abbiamo visto i problemi connessi al motore, la chiave di volta del nostro hobby. Maneggiatelo con attenzione, sempre seguendo le istruzioni della casa. Non cercate di costruirvene uno, sarebbe un rischio inutile: nel motore è racchiusa tutta la potenza dell'era spaziale.