Motori ibridi

Un motore ibrido è un motore nel quale l’ossidante ed il combustibile sono separati ed immagazzinati in due differenti stati, liquido l’uno e solido l’altro.
Il combustibile è contenuto nella camera di combustione mentre l’ossidante è contenuto in un serbatoio che può essere una parte separata o parte integrante del motore. Al momento dell’accensione l’ossidante viene iniettato nella camera di combustione dove si trova il combustibile che brucia producendo i gas necessari a generare la spinta.

Si tratta di una soluzione che offre alcuni vantaggi rispetto ai motori a combustibile solido perchè sia l’ossidante che il combustibile sono inerti, non infiammabili, e quindi non soggetti ad alcuna regolamentazione concernente la produzione, l’importazione/esportazione e il trasporto.

Ossidante – L’ossidante utilizzato da tutti i tipi di motori ibridi per modellismo è il Protossido di Azoto (N₂O) abbreviato spesso in NOX. Il NOX si trova in commercio in due gradi di purezza. Quello tecnico è utilizzato per le gare di auto e moto da corsa, quello medico è utilizzato come anestetico (gas “esilarante”). Il NOX utilizzato nei motori ibridi è ovviamente quello tecnico, di costo molto più contenuto. Il Protossido di Azoto ha un punto di ebollizione di -89.5 gradi Celsius a 1 atm, ma resta allo stato liquido se mantenuto alla pressione di almeno 54 bar. Il suo aspetto è di un liquido incolore, di odore dolciastro che a temperatura ambiente è stabile, inerte e non infiammabile.

La scelta di questo ossidante per i motori ibridi è dovuta alle sue particolari caratteristiche che lo rendono unico. E’ semplice da maneggiare grazie alla sua natura innocua, è relativamente semplice da reperire perchè non esistono particolari restrizioni per l’acquisto o l’utilizzo, e possiede la particolare caratteristica di auto-pressurizzarsi. Fornendo il 30% del suo peso in ossigeno non è tra gli ossidanti di caratteristiche migliori, ma ha il grande vantaggio di rimanere liquido a temperature comprese tra i 10 e i 25 gradi e allo stesso tempo mantenersi ad alti valori di pressione. La auto-pressurizzazione permette l’iniezione nella camera di combustione senza usare pompe o altri sistemi complessi. Queste caratteristiche lo rendono decisamente unico rispetto ad ogni altro prodotto di migliori capacità ossidanti.

Il combustibile dei motori ibridi non è altro che un cilindro cavo di comune materiale plastico (polipropilene, polietilene, resine acriliche, PVC) o di cellulosa. A seconda del tipo di plastica utilizzata il motore può avere caratteristiche diverse. Le “ricariche” dei motori ibridi consistono quindi essenzialmente in cilindri di plastica più i necessari o-rings e gli ugelli usa-e-getta, in modo simile ai motori a combustibile solido.

Tre ricariche per motori ibridi: combustibile (cilindri in plastica nera), O-rings, tubi per riempimento.

Per ragioni pratiche i motori ibridi non vengono per ora realizzati di classe inferiore a G (da 80 a 160 Ns). La grande maggioranza di essi è “High Power” e pertanto richiedono una certificazione per essere acquistati ed utilizzati.

Per il modo in cui sono fatti i motori ibridi non possiedono nè delay nè cariche di espulsione per il paracadute. Per l’espulsione quindi è necessario utilizzare dispositivi elettronici.

Esistono due categorie di motori ibridi per modellismo spaziale, quelli che per l’accensione utilizzano un sistema basato su una sostanza combustibile (“pyro”) e quelli che non lo utilizzano (“pyro-free”).

Pyro – Il più semplice è quello progettato da RCS/Aerotech nel quale il serbatoio dell’ossidante è collegato al case di un motore ricaricabile convenzionale. Il serbatoio viene riempito prima di inserire il motore nel modello. Una “pirovalvola”, ovvero una pastiglia di materiale infiammabile, viene accesa con un normale accenditore e apre il passaggio all’ossidante che entra nella camera di combustione. Il protossido si decompone passando attraverso la fiamma e generando ossigeno, e il combustibile inizia a bruciare vivacemente.
Questo sistema non è mai stato molto diffuso perchè la presenza della “pirovalvola” impone restrizioni al trasporto che annullano uno dei vantaggi dei motori ibridi. La produzione si è interrotta da tempo e al momento non ci sono notizie sulla sua reintroduzione.

Il sistema in assoluto più diffuso è quello detto a “iniettore flottante“. E’ utilizzato da RATT Works, Propulsion Polymers, West Coast Hybrid e Sky Ripper. L’iniettore è chiamato a volte valvola U/C, dai nomi Urbanski e Colburn, due sperimentatori che sono giunti alla stessa idea nello stesso momento.
Questo tipo di motore è costituito da un tubo unico con chiusure alle estremità. Il tubo è diviso in due sezioni da un iniettore che può scorrere su e giù. Lo spazio sopra l’iniettore è utilizzato come serbatoio per l’ossidante, mentre lo spazio sotto è la camera di combustione che contiene il blocco di combustibile. Un sottile tubo di nylon è connesso all’iniettore, passa nel foro centrale del blocco di combustibile ed arriva all’esterno attraverso l’ugello andando a connettersi alla bombola dell’ossidante posta vicino alla rampa di lancio.

Col modello montato sulla rampa, si agisce su un comando elettrico a distanza che apre una elettrovalvola collegata alla bombola del NOX. Questo fluisce attraverso il tubo di nylon e riempie il serbatoio. L’aria contenuta nel serbatoio viene scacciata dal liquido attraverso un piccolo forellino di sfiato alla sommità del motore. Quando il liquido raggiunge la cima del serbatoio fuoriesce dallo sfiato. Il protossido che esce si trova a pressione atmosferica ed inizia a bollire generando un soffio visibile che indica il riempimento totale del serbatoio. Quando il serbatoio è pieno, un comune accenditore accende un piccolo blocco di combustibile prelevato da una ricarica di un motore a combustibile solido. La fiamma che si genera fonde il tubo di nylon, l’ossidante è libero di uscire, si decompone incontrando la fiamma ed inizia il processo di combustione che dà origine alla spinta.

Non-pyro – Questo sistema è adottato nei motori HyperTEK, prodotti su licenza da Cesaroni. Un sistema HyperTEK consiste di tre parti: un serbatoio, una camera di combustione in plastica che costituisce anche il combustibile ed integra un ugello in materiale fenolico, ed una campana di iniezione che unisce le due parti.

Serbatoio con campana

Camera di combustione/combustibile

Le due parti unite

Sulla rampa il modello appoggia su una speciale struttura di supporto. Un tubo di metallo montato su questa struttura si infila nell’ugello e raggiunge la campana di iniezione del motore. Il modello, calato sopra questo tubo, viene trattenuto alla rampa con una fascetta in nylon che passa di fronte all’imboccatura dell’ugello (Figura 1). All’apertura della elettrovalvola l’ossidante fluisce attraverso il tubo di metallo e riempie il serbatoio (Figura 2). Quando il serbatoio è pieno un secondo tubo, coassiale al primo, introduce ossigeno gassoso nella camera di combustione (Figura 3), mentre un comando elettrico genera una scintilla ad alta tensione al termine di un filo fissato al tubo. La scintilla in ambiente di ossigeno provoca una fiamma generata dalla combustione del filo stesso, che fonde la fascetta in nylon che tiene fermo il motore (Figura 4). Per effetto della pressione dell’ossidante nel serbatoio, il modello si alza lievemente e lascia libero il passaggio in modo che l’ossidante possa uscire (Figura 5). Incontrando la fiamma il protossido si decompone, genera ossigeno ed inizia la combustione (Figura 6). Questo sistema è sicuramente il più complesso ma è l’unico totalmente privo di materiale infiammabile o pirotecnico.

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Figura 1 Motore HyperTEK	Figura 2 Riempimento serbatoio dell’ossidante	Figura 3 L’ossidante sfiata, entra l’ossigeno
Figura 4 Scocca la scintilla	Figura 5 L’ossidante è libero di uscire	Figura 6 inizia la combustione ed avviene il decollo

Un metodo molto simile viene utilizzato nei motori West Coast Hybrids come alternativa al sistema pirotecnico. Il funzionamento è una via di mezzo tra il sistema che utilizza il blocchetto di combustibile e quello di HyperTEK, ed è più semplice di quest’ultimo. Non utilizza l’alta tensione ma un pezzo di lana di acciaio ed un tubo coassiale per l’ossigeno gassoso. La lana di acciaio viene resa incandescente dalla corrente elettrica ed in ambiente saturo di ossigeno produce una fiamma di notevoli proporzioni che agisce come il blocchetto di combustibile normalmente utilizzato in questi sistemi. Una spiegazione dettagliata si può leggere qui.

Tutti i motori ibridi richiedono una attrezzatura di terra più o meno complessa per poter funzionare. Nella sua forma più semplice è composta da:

• una bombola di protossido di azoto
• una elettrovalvola
• un sistema elettrico per comandare la elettrovalvola
• una normale centralina di accensione

Questa semplice configurazione è adatta solo per i sistemi tipo pyro.

Una ulteriore aggiunta possibile è una seconda elettrovalvola per scaricare il serbatoio nel caso il lancio venga ritardato per vari problemi. Il protossido infatti non può restare a lungo nel serbatoio perchè la sua pressione cala lentamente a causa dello sfiato. Se la pressione scende sotto il valore ideale (800 psi – 54 atm) la spinta del motore non è più quella nominale e può essere pericoloso lanciare in quelle condizioni.

La bombola deve essere di tipo specifico per il protossido, ovvero deve avere guarnizioni fatte con materiali che non possano reagire con gli ossidanti, e deve essere tipo CE altrimenti non è possibile trovare chi la riempie. Inoltre deve avere il pescante interno a meno che non si voglia costruire un supporto per tenerla rovesciata.

Il sistema HyperTEK richiede anche una bombola più piccola di ossigeno gassoso (GOX) che si trova facilmente come accessorio per le saldature.

I motori HyperTEK richiedono l’attrezzatura di terra più complessa. Il sistema basico comprende due valvole con regolatori e raccordi per il protossido e l’ossigeno gassoso, un generatore di alta tensione per generare l’arco elettrico che dà origine all’accensione, i tubi per portare i gas e i comandi elettrici per le valvole e l’accensione. Fa parte del sistema anche un “Stem Fill Assembly”, ovvero i due tubi coassiali per il riempimento del motore. Col sistema HyperTEK è possibile utilizzare anche i motori a iniettore flottante (pyro) eliminando la bombola di ossigeno e i tubi coassiali.

A partire dalla loro introduzione i motori ibridi si sono diffusi sempre più rapidamente, in gran parte grazie all’invenzione dei sistemi a iniettore flottante, molto più semplici ed economicirispetto agli HyperTEK che sono stati i primi ad apparire sul mercato.

Il vantaggio più evidente è la assenza di materiale infiammabile e quindi la totale assenza di regolamentazioni per il trasporto, l’importazione, l’esportazione, la vendita e l’uso. Si tratta in sostanza di tubi di alluminio e parti in plastica e nulla più. I blocchetti di combustibile che si usano nei sistemi a iniettore flottante non vengono spediti col motore ma sono da procurarsi da sè e si ricavano dalle piccole ricariche Aerotech che sono disponibili con relativa facilità.

Un altro vantaggio è il basso costo per lancio. Sebbene il motore abbia un costo di acquisto che può essere superiore ai motori ricaricabili a combustibile solido, le ricariche per gli ibridi sono di gran lunga più economiche, dato che sono composte essenzialmente da tubi di plastica torniti, ed anche il protossido di azoto ha un prezzo contenuto. Al crescere delle dimensioni i motori ibridi diventano di gran lunga più economici dei motori a combustibile solido, per esempio una ricarica di classe M per motori solidi Aerotech ha un costo di circa 400-500 $, mentre una ricarica HyperTEK della stessa classe e spinta paragonabile ne costa circa 150.

Per contro, i motori ibridi presentano alcuni svantaggi:

• Il costo dell’attrezzatura per il lancio e la sua scarsa portabilità. Anche una attrezzatura ridotta all’osso richiede come minimo la bombola e le valvole. Il costo complessivo di una attrezzatura minima può essere attorno ai 250-300 euro.
• La spinta relativamente limitata a parità di impulso totale.
• Uno scarso effetto luminoso e fumogeno, che rende questi motori meno spettacolari.
• L’assenza di fumo durante la fase di volo per inerzia, con conseguente difficoltà di tracciamento.
• L’assenza di carica di espulsione, che rende obbligatorio l’uso di dispositivi elettronici.
• La lunghezza del motore, che richiede quasi sempre dei modelli progettati apposta e sottrae spazio agli alloggiamenti dell’elettronica e del paracadute.
• L’arretramento del baricentro durante il consumo dell’ossidante.

Tuttavia questi non sono svantaggi che possano disincentivarne l’utilizzo, tutt’altro. Nel corso degli ultimi anni i motori ibridi sono sempre più presenti sui campi di lancio e i produttori aumentano di anno in anno.