Mentre la maggior parte dei progetti della NASA guardano al futuro per trarre ispirazione, uno dei progetti dell'agenzia spaziale sta esaminando una tecnologia dei motori più convenzionale per rendere i viaggi nello spazio più economici. Nel tentativo di alleggerire il carico del veicolo spaziale al momento del lancio, gli ingegneri della NASA hanno progettato un nuovo motore a razzo che elimina la necessità di un ossidante a bordo. Invece, questo nuovo razzo a respirazione d'aria il motore estrarrà l'ossigeno dall'aria per bruciare carburante mentre accelera per orbitare.
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L'idea di un motore che aspira aria per fornire spinta non è nuova. I motori a reazione utilizzano questo processo da decenni. L’utilizzo dell’aria dell’atmosfera per motori a reazione supersonici per alimentare un veicolo spaziale leggero ridurrà in definitiva il costo di messa in orbita del veicolo spaziale. Attualmente, mettere un oggetto in orbita costa circa 10.000 dollari la libbra (22.000 dollari al kg). A quei prezzi, mandare nello spazio una persona di 150 libbre costerebbe 1.500.000 dollari. L'obiettivo della NASA è ridurre i costi di lancio a poche centinaia di dollari per libbra entro i prossimi 25 anni. Ritengono che un modo per farlo sia scaricare più di un milione di libbre di ossidante liquido attualmente necessario per la combustione.
"Le tecnologie dei motori a razzo a respirazione d'aria hanno il potenziale di aprire la frontiera dello spazio alla gente comune", ha affermato Uwe Hueter del Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, Ala. In questa edizione di How Stuff WILL Work , scoprirai come volare nello spazio su uno di questi razzi a respirazione d'aria, come funzionano i motori e come verranno lanciati nello spazio i razzi a respirazione d'aria.
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In un motore a razzo convenzionale, un ossidante liquido e un carburante vengono pompati in una camera di combustione dove bruciano per creare un flusso di gas caldi ad alta pressione e alta velocità. Questi gas fluiscono attraverso un ugello che li accelera ulteriormente (velocità di uscita tipiche sono da 5.000 a 10.000 mph) e quindi lasciano il motore. Questo processo fornisce la spinta al veicolo spaziale.
Se hai letto l'articolo su Come funzionano i motori a razzo, allora sai che lo space shuttle ha bisogno di 143.000 galloni di ossigeno liquido, che pesa circa 1.359.000 libbre. Quando è vuota, la navetta stessa pesa solo 165.000 libbre, il serbatoio esterno pesa 78.100 libbre e i due propulsori a razzo solido pesano 185.000 libbre ciascuno. Si tratta di un totale di 613.000 sterline. Aggiungendo carburante e ossidante, il peso totale del veicolo sale a 4,4 milioni di libbre.
La NASA ha stabilito che potrebbe facilmente ridurre il peso di un veicolo al momento del lancio se venissero portati via l'ossidante liquido, il che farebbe rapidamente scendere il peso del veicolo a circa 3,1 milioni di libbre. Si tratta pur sempre di un veicolo pesante, ma significherebbe un'enorme riduzione dei costi di lancio in orbita.
Quindi, se si rimuovesse l'ossigeno liquido, il carburante non sarebbe in grado di bruciare e fornire spinta? Bisogna pensare al di fuori del normale funzionamento di un motore a razzo convenzionale. Invece di utilizzare un ossidante liquido, un razzo a respirazione d’aria, come suggerisce il nome, assorbirà aria dall’atmosfera. Lo combinerà quindi con il carburante per creare combustione e fornire spinta.
Un motore a razzo a respirazione d'aria, chiamato anche motore a ciclo combinato basato su razzo , è molto simile a un motore a reazione. In un motore a reazione, l'aria viene aspirata dal compressore. Il motore quindi comprime l'aria, la combina con un carburante e brucia il prodotto, che si espande e fornisce spinta. Un motore a reazione può essere utilizzato solo fino a Mach 3 o 4 prima che le sue parti inizino a surriscaldarsi. In un ramjet a combustione supersonica, o scramjet , una presa d'aria aspira l'aria. L'aria viene rallentata e compressa mentre il veicolo accelera attraverso l'atmosfera. Il carburante viene aggiunto al flusso d'aria supersonico, dove i due si mescolano e bruciano. I combustibili che più probabilmente verranno utilizzati con i razzi a respirazione d'aria includono idrogeno liquido o idrocarburi.
Per quanto efficienti siano i razzi a respirazione d'aria, non possono fornire la spinta per il decollo. Per questo, ci sono due opzioni da considerare. La NASA potrebbe utilizzare turbogetti o razzi potenziati ad aria per far decollare il veicolo. Un razzo potenziato dall'aria è come un normale motore a razzo, tranne che quando raggiunge una velocità sufficientemente elevata, forse a Mach due o tre, aumenterà l'ossidazione del carburante con l'aria nell'atmosfera, e forse salirà a Mach 10 e poi cambierà di nuovo a normale funzionamento del razzo. Questi razzi potenziati ad aria sono posizionati in un condotto che cattura l'aria e potrebbero aumentare le prestazioni di circa il 15% rispetto ai razzi convenzionali.
Più lontano, la NASA sta sviluppando un piano per lanciare il veicolo a razzo che respira aria utilizzando binari a levitazione magnetica (maglev). Utilizzando i cingoli a levitazione magnetica, il veicolo accelererà fino a raggiungere velocità di 600 mph prima di sollevarsi in aria.
Dopo il decollo e dopo che il veicolo avesse raggiunto il doppio della velocità del suono, i razzi potenziati ad aria si spegnerebbero. La propulsione verrebbe quindi fornita dal veicolo a razzo a respirazione d'aria, che inspirerà ossigeno per circa metà del volo per bruciare carburante. Il vantaggio di questo è che non sarà necessario immagazzinare tanto ossigeno a bordo del veicolo spaziale quanto i veicoli spaziali del passato, riducendo così i costi di lancio. Una volta che il veicolo avrà raggiunto una velocità 10 volte superiore a quella del suono, tornerà al sistema convenzionale alimentato a razzo per la spinta finale in orbita.
Poiché ridurrà il peso dell’ossidante, il veicolo sarà più facile da manovrare rispetto agli attuali veicoli spaziali. Ciò significa che viaggiare su un veicolo alimentato a razzo a respirazione d'aria sarà più sicuro. Alla fine, il pubblico potrebbe viaggiare su questi veicoli nello spazio come turisti spaziali.
Il Marshall Center e il Glenn Research Center della NASA a Cleveland stanno progettando di progettare internamente un motore a razzo a respirazione d'aria del peso di un volo per dimostrazioni di volo entro il 2005. Questo progetto determinerà se i motori a razzo a respirazione d'aria possono essere costruiti abbastanza leggeri per un lancio. veicolo.
