Prese d'aria

Una presa d'aria, dunque, in genere è costituita da un condotto la cui sezione, variando lungo l'asse, produce variazioni di velocità (rallentamenti) e aumenti di pressione.

Prese d'aria subsoniche

Prendiamo in considerazione solo le prese d'aria subsoniche a compressione interna, impiegate in quasi tutti i turbogetti civili e commerciali, tralasciando quelle a compressione esterna, che, seppur affascinanti da un punto di vista strettamente teorico, non trovano grande impiego pratico.

Un flusso subsonico viene compresso e rallentato se attraversa un condotto divergente, cioè con una sezione d'ingresso più piccola della sezione d'uscita. Però tale variazione di sezione viene realizzata in maniera graduale, con un semiangolo d'apertura di circa 5° o 7° per far si che non si abbiano distacchi dello strato limite. Per questo non è possibile realizzare prese d'aria troppo corte.

Conoscendo le velocità operative del velivolo e sapendo che il flusso deve rallentare isentropicamente fino a Mach 0.4 (circa) all'imbocco del compressore, con facili calcoli si può ottenere un dimensionamento che sarà frutto di un giusto compromesso tra lunghezza ed affidabilità.

Prese d'aria supersoniche

Per comprendere meglio cosa realmente succede, prendiamo un condotto convergente-divergente e facciamo crescere il valore del Mach (M₀) all'infinito (della velocità di volo in poche parole). Questa procedura che andiamo a vedere è detta avviamento della presa d'aria.

Abbiamo all'inizio un flusso subsonico che accelera nel convergente per poi rallentare nel divergente. Non succede praticamente nulla.

Aumentando sempre più M₀, però, si arriva ad un certo punto in cui il flusso nel convergente accelera fino ad avere il valore sonico (M=1) nella sezione più piccola (sezione "di gola") per poi rallentare nuovamente nel divergente in regime subsonico. Però il condotto per ragioni fisiche, a parità di condizioni a monte, non può smaltire una portata maggiore di questa in cui M=1 nella sezione di gola.

Quindi, un ulteriore aumento del Mach all'infinito (ma sempre in regime subsonico) comporta che l'aria smaltibile dal condotto è minore di quella che può entrare nella sezione d'ingresso, pertanto si modificano proprio le condizioni a monte, in modo che entri solo la portata che può essere smaltita, mentre la restante parte fluisce all'esterno (spillamento). Si parla anche qui, quindi, come per le prese d'aria subsoniche, di sezione di cattura che in questo caso è ovviamente più piccola di quella d'ingresso.

Quando il flusso a monte diventa sonico (M₀=1), la sezione di cattura è uguale alla sezione di gola.

Per un particolare valore del Mach detto di avviamento (M_AVV), quest'urto raggiunge la sezione d'ingresso.

Se però si riduce un po' il valore di M₀, cioè se si diminuisce un po' la velocità di volo, è possibile far risalire l'urto nel divergente riducendone l'intensità e così anche le perdite. Se in particolare si torna indietro fino a un certo M_P (minore di M_AVV) l'urto si porterà nella sezione di gola dove M=1 e quindi l'intensità dell'urto è nulla (processo isentropico). Questa è la situazione di funzionamento ideale (o di progetto), ma risulta anche instabile, perchè una minima diminuzione della velocità di volo farà si che improvvisamente si ripristini la situazione di urto davanti all'ingresso e il processo va ricominciato da capo. Si preferisce allora fare in modo che che l'urto si verifichi poco a valle della sezione di gola (e quindi con piccola intensità), realizzando così un compromesso fra la necessità di avere piccole perdite e quella di avere un funzionamento stabile.

L'avviamento per overspeeding, però, non è privo di difficoltà, in quanto sarebbe necessario raggiungere velocità altissime per avviare una presa d'aria supersonica (ad esempio si pensi che per avviare una presa d'aria con sezione di gola pari a 0.7 volte la sezione d'ingresso, cui corrisponde un numero di Mach di funzionamento ideale pari a 1.8, è necessario raggiungere Mach 3.2, il che non è possibile in pratica, in quanto bisognerebbe montare un sistema propulsivo in grado di accelerare il velivolo fino a Mach 3.2 per poi operare a Mach 1.8).

Tutti i problemi citati possono essere letti nel grafico qui a fianco (rapporto sezione di gola/sezione di ingresso - Mach di volo), che descrive il ciclo di avviamento. La curva 1 rappresenta  la situazione di urto davanti alla sezione d'ingresso, la curva 2 rappresenta la compressione ideale isentropica, cioè senza la formazione di urti. Fissato il parametro costruttivo A*/A₁, nell'esempio 0.7, ad esso corrisponde un certo punto a sulla curva 2 (punto di funzionamento ideale per M'₀) e un punto b sulla curva 1 (punto in cui bisogna arrivare per avviare la presa d'aria). La zona al di sopra della curva 2 rappresenta flussi con formazione di urto nel divergente, mentre la zona al di sotto della curva 1 corrisponde a flussi con urto davanti alla presa d'aria. Nella zona compresa tra le due curve si possono avere per lo stesso valore di M₀ entrambi i tipi di flusso e quale dei due si verifichi dipende dal fatto che la presa d'aria sia stata o meno avviata: se è stata avviata, cioè se si è superato M"₀, si ha urto nel divergente, altrimenti si ha un urto staccato davanti alla presa d'aria.

Si noti anche che una presa d'aria con rapporto A*/A₁<0.6 non può essere avviata con la procedura descritta.

Per ovviare a queste difficoltà, l'avviamento può essere ottenuto utilizzando una:

Si consideri ad esempio un presa d'aria che debba operare a M₀=3.2, cioè in corrispondenza del punto c del grafico. Se inizialmente la sezione di gola viene allargata al valore corrispondente al punto b (A*/A₁=0.7), l'avviamento avverrà propio per M"₀=3.2, con la formazione di un urto di notevole intensità nel divergente. Riducendo l'area della sezione di gola, il punto rappresentativo delle condizioni di funzionamento si sposterà verso il basso sul segmento b-c e, corrispondentemente, l'urto risalirà nel divergente, finchè per A*/A₁=0.2 la presa d'aria funzionerà in condizioni ideali isentropiche.

In maniera ancora più efficiente, si può aumentare l'area della sezione di gola ad un valore più grande di quello corrispondente al punto b, come ad esempio il punto d. La presa d'aria si avvierà ad una velocità più bassa e, quindi, con minori perdite. Man mano che la velocità aumenta, si dovrà ridurre la sezione di gola, cosicchè il punto rappresentativo delle condizioni di funzionamento si muova su una curva del tipo d-c.

Il principale inconveniente di una presa d'aria a geometria variabile risiede però nella sua complessità realizzativa.

Oltre alle già citate prese d'aria divergenti (subsoniche) e convergenti-divergenti (supersoniche), esistono altri tipi di prese d'aria utilizzate a seconda delle prestazioni del velivolo.

Rappresentano il modo più semplice per ottenere la decelerazione del flusso da supersonico a subsonico, facendolo passare attraverso un'onda d'urto normale posizionata nella sezione d'ingresso.

Ovviamente, però questa è la situazione di funzionamento ideale, in cui il flusso è supersonico fino alla sezione d'igresso, poi, passando attraverso l'onda d'urto, diventa subsonico e viene compresso dalla presa d'aria in maniera del tutto analoga quanto visto per la presa d'aria subsonica. Nelle condizioni di decollo o discesa, però, il motore richiederà una portata superiore o inferiore, cosicchè l'onda d'urto si posizionerà davanti o dentro la presa d'aria, generando spillamento nel primo caso e urto di maggiore intensità nel secondo.

Prese d'aria di questo tipo hanno un range di utilizzo abbastanza basso, fino a valori di M₀ pari a 1.7-1.8, poichè per valori più elevati le perdite diventano notevoli con conseguente diminuzione della spinta che il motore è in grado di fornire.

Qualora le velocità di volo divengono elevate, le perdite legate all'urto si fanno sentire molto. In tal caso conviene far avvenire la decelerazione anzichè attraverso un urto normale, mediante un sistema di una o più onde oblique seguito da una normale. Allora le perdite sono notevolmente inferiori. Si realizza così la presa d'aria a cono.

Si può notare la formazione di un'onda d'urto obliqua a partire dalla punta del cono e di un'onda normale in corrispondenza dell'ingresso del condotto (condizioni di progetto). Minori perdite si possono avere se invece di generare un solo urto obliquo se ne producono di più, realizzando così una compressione più graduale e, quindi, più vicina all'isentropica.