Statoreattore
Lo Statoreattore, in inglese Ramjet, è un tipo di motore a getto progettato da William Avery.
Lo statoreattore riduce la complessità del motore a reazione eliminando molte delle parti in movimento. In particolare viene eliminato il compressore in quanto è la velocità stessa del velivolo a comprimere l'aria che entra nella presa d'aria. In questo modo diventano superflue le ventole del compressore.
Principio di funzionamento
Il principio di funzionamento dello statoreattore è lo stesso del motore a reazione tradizionale. L'aria aspirata dall'esterno entra in una presa, viene compressa e miscelata con il carburante, passa poi nella camera di combustione e quindi viene espulsa dalla parte posteriore a velocità superiore di quella di entrata.
Quando l'aria entra in questo tipo di motore a reazione, anche se il velivolo procede a velocità supersonica, viene rallentata a velocità subsonica a causa della particolare geometria dei condotti, conformati in modo tale da generare un sistema di urti obliqui. Nell'attraversamento di tali settori del motore la velocità del flusso diminuisce mentre aumenta la sua pressione. Si produce il cosiddetto Ram compression effect. Ad alta velocità questo processo può essere molto efficiente e può comprimere abbastanza aria, quindi sufficiente ossigeno, per permettere una combustione efficace nel motore.
Lo statoreattore è costruito appositamente per sfruttare questo effetto di compressione attraverso una progettazione accurata della forma della presa d'aria. In pratica questo motore può venire descritto come nulla più che un lungo tubo ben progettato. Lo statoreattore non contiene grandi parti in movimento e pertanto è più leggero di un motore turbofan. Risulta pertanto molto indicato per quelle applicazioni che richiedono un motore semplice e piccolo per raggiungere alte velocità.
Rispetto al turboreattore, lo stato reattore ha eliminato la turbina e il compressore. Ciò permette di realizzare temperature di combustione più elevate e di conseguenza velocità di efflusso più elevate. L'eliminazione del compressore è resa possibile dal fatto che la pressione di ristagno all'uscita della presa d’aria è già ad un livello che permette una ottima sfruttabilità cinetica dell'energia. È possibile infatti utilizzare in tal caso un ugello supersonico essendo il rapporto di espansione maggiore del rapporto e avere un rendimento dell'ugello e una velocità di efflusso molto elevati.
L'elevata pressione in camera è dovuta alla elevata pressione dinamica dell'aria: questo motore infatti, non avendo il compressore, può funzionare solo se la velocità relativa fra aria e velivolo è elevata al punto da generare una notevole pressione dinamica.
Importante è il ruolo svolto dalla presa d'aria che ha il compito di "recuperare" l'energia cinetica posseduta dall'aria con la massima efficienza. Una presa d'aria ad elevata efficienza permette di realizzare in camera di combustione una pressione pari quasi alla pressione di ristagno dell'aria entrante.
In un ramjet ideale la pressione di ristagno si mantiene costante e uguale a quella ambiente in tutto il motore.
Velocità di volo
Lo statoreattore è inefficiente a velocità che vanno dai 500 km/h a velocità pari a Mach 1. Il limite inferiore è dato dal numero di Mach minimo per ottenere dopo il rallentamento nella presa d'aria, una pressione in camera di combustione sufficientemente elevata per ottenere un buon rendimento dell'ugello.
Per poter entrare in funzione devono essere spinti ad alte velocità e risultano quindi poco utilizzabili per le applicazioni generiche quali la motorizzazione di velivoli civili o militari. Per renderli utilizzabili su un ampio spettro di velocità come avviene per i motori a reazione oggi utilizzati, cioè permettere loro di poter passare dalla bassa alla alta velocità e di venire utilizzati a quote basse così come a quelle alte, si rendono necessari molti interventi progettuali che comporterebbero la perdita dei vantaggi tipici di questa formula di motori. In pratica gli statoreattori funzionano meglio alla specifica velocità e alla quota esatta per la quale sono stati progettati. Nel volo supersonico gli statoreattori però superano sempre in prestazioni gli equivalenti motori turbogetto tradizionali mentre sono meno efficienti di questi nel volo alle basse velocità. Nei confronti dei motori a razzo sono più efficienti di quest'ultimi per quello che riguarda il consumo di carburante.
Il limite superiore è fissato, più che dalla resistenza dei materiali alle elevate temperature, dalla efficienza delle prese d’aria sempre più bassa all'aumentare del numero di Mach. Pertanto oltre Mach 4.5 non è più conveniente utilizzare questo tipo di motore.
Applicazioni
Gli statoreattori hanno trovato largo impiego quali motori per i missili. In questo caso vengono spinti alla velocità supersonica operativa da un motore a razzo o vengono trasportati a queste velocità da un altro velivolo, quasi sempre un caccia. Attualmente gli statoreattori sono stati rimpiazzati da piccoli motori turbofan o da motori a razzo. Una variante dello statoreattore è il motore a ciclo combinato che intende superare le limitazioni insite nello statoreattore puro. Un esempio di questo motore è rappresentato dal motore ATR (Air Turboramjet) che funziona come un normale turbogetto alle velocità subsoniche e come statoreattore assistito da ventole a velocità supersoniche fino a Mach 6. Un altro motore sviluppato su questa linea di pensiero è il motore ATREX. Sviluppato in Giappone utilizza idrogeno liquido come carburante con una particolare configurazione a ventola singola. L'idrogeno liquido viene pompato attraverso uno scambiatore di calore posto nella presa d'aria. In questo modo avviene simultaneamente il raffreddamento dell'aria entrante e il riscaldamento dell'idrogeno. Il raffreddamento dell'aria è un fattore critico per raggiungere una efficienza ragionevole. L'idrogeno prosegue il suo cammino raggiungendo un secondo stadio dello scambiatore di calore. Questo è posto nella camera di combustione dove il carburante viene ulteriormente riscaldato e trasformato, nuovamente, in un gas ad altissima pressione. Il gas a questo punto viene fatto passare attraverso le estremità della ventola fornendo così l'energia che permette il movimento della ventola a velocità inelevata o subsonica. Dopo questo stadio il gas viene miscelato con l'aria e passa nella camera di combustione dove la miscela viene combusta.
