Il Turbo come non ve l’hanno mai raccontato

Ah il turbo: tutti lo conoscono, molti ce l’hanno, molti altri ancora lo desiderano. Questo piccolo componente meccanico dalle doti magiche che molti chiamano affettuosamente “la fata turbina”, onnipresente sulle moderne auto al punto che anche la nonnina del palazzo ha la macchina turbo, è in realtà figlio di anni anni e anni di ricerche e anche uno degli elementi che hanno portato gli USA a dominare i cieli della seconda guerra mondiale.

Il turbocompressore per come lo conosciamo oggi venne infatti per la prima volta impiegato in guerra dagli americani quando lo installarono sui motori dei B-17 e dei B-24, ottenendo così il grande vantaggio di poter volare ad una quota più elevata rispetto a quanto possibile dai caccia nemici dell’epoca, dotati ancora di sistemi “vecchia scuola” come il compressore meccanico. Quest’ultima soluzione venne impiegata fin dagli anni ’30 per vincere la rarefazione dell’aria al salire di quota e funzionava anche piuttosto bene fino a che non venne surclassata dai nuovi turbocompressori.

Non vi fidate? Vediamo un po’: la forza di gravità terreste agisce anche sull’aria “tirandola giù”, la quale è molto più densa a livello del suolo che ad alta quota, in prima approssimazione possiamo affermare che la densità dell’aria diminuisce di circa il 10% ogni 1000 metri di quota aggiuntivi, motivo per il quale sull’Everest vi servono le bombole di ossigeno o perché le Formula 1 perdono un po’ di potenza (in realtà poca proprio perché sono turbo) durante il GP del Messico, che si corre a 2.286 metri. La faccio breve: più salite di quota e meno respirate voi (per questo gli aerei civili sono pressurizzati e Maverick usa la mascherina) e meno respirerà il vostro motore, cosa non buona se siete su un F-14 delle prime serie, i cui TF-30 già stanno accesi per miracolo, evitiamo di metterli alla frusta.

Per risolvere questa pugnet problematica e mantenere quanto più costante l’apporto di aria in aspirazione al salire della quota, i pionieri del volo dotarono i motori dei loro aeroplani di opportuni compressori meccanici la cui girante era azionata direttamente dallo stesso albero motore, un po’ come avviene nei moderni compressori volumetrici. Una soluzione pratica, non c’è dubbio, ma non esente da difetti: oltre a sottrarre energia preziosa dal motore (e chiunque abbia una Mini Cooper S R53 sa bene cosa questo significhi in termini di consumi) il compressore coinvolge numerosi elementi meccanici che possono essere soggetti a rotture, cosa da evitare quando si sorvola la Germania nazista. Ricordate questo mantra: quello che non c’è, non si rompe e l’essenzialità è bella.

Ma visto che siamo degli infoiati, scendiamo un po’ di più nel dettaglio e vediamo quali sono gli altri limiti dei compressori meccanici: il regime di rotazione di un compressore meccanico è limitato dal massimo regime raggiungibile dal motore, limitando così la massima quantità d’aria aspirata e compressa. Per essere più chiari, vediamo nel dettaglio il funzionamento di un famoso motore della seconda guerra mondiale, il mitico V12 (invertito) Daimler DB-601, lo stesso che equipaggiava i temibili Messerschmitt BF-109 delle prime serie.

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Questo motore era dotato di un compressore monostadio (altri motori come il Merlin o il BMW 801 avevano compressori a due stadi per ottenere una maggior compressione mentre altri avevano compressori la cui girante era collegata ad un riduttore a più velocità per meglio adattarsi alle esigenze del motore) installato nella parte sinistra del motore (di fatti se guardate i BF-109 noterete una presa d’aria da quel lato) ad innesto automatico azionato da un giunto idraulico e regolazione barometrica: cosa vuol dire? vuol dire che all’aumentare della quota e al diminuire della pressione, il sistema provvede automaticamente ad azionare il compressore (a 2.100 metri di quota per il DB601A-1) aumentandone il numero di giri in modo continuo al crescere della quota (recuperando così la potenza persa) fino ad un massimo di 4.500 metri, quota oltre la quale il compressore non potrà più salire di giri e il motore perderà inevitabilmente potenza. Viene da sé che un aeroplano dotato di questo motore farà molta fatica ad ingaggiare combattimenti con aeroplani capaci di volare ad una quota superiore.

– grafici caratteristici del Daimler DB-601A-1, potenza massima 1.075 ps a 2.400 rpm con una pressione di sovralimentazione di 1,30 atmosfere (dipendente dal numero di giri del motore) –

Tutti i limiti appena illustrati sono facilmente aggirabili utilizzando un turbocompressore azionato dai gas di scarico, elegantissima soluzione meccanica che, se adesso pare ovvia, all’epoca rappresentava una scoperta sensazionale il cui sviluppo e successiva diffusione richiese moltissimi anni di studio, per lo più spesi in cerca del metallo migliore con cui costruire la girante del lato caldo, sottoposta a importanti stress termici e quindi molto esigente sia a livello metallurgico che costruttivo.

Nonostante quindi il turbocompressore venne brevettato nel 1905 (a seguito degli studi dello svizzero Alfred J. Büchi, il quale poi andò a lavorare per la Sulzer, che produsse così i primi motori sovralimentati destinati però a impieghi pesanti come navi e treni), dovemmo aspettare che la NACA (quella delle famose prese d’aria e che poi divenne NASA) interpellasse la General Electric per sviluppare adeguatamente questo componente per utilizzarlo sugli aeroplani. Il lavoro venne quindi affidato all’ingegnere Sanford Moss (papà anche del turboelica) il quale, data la sua grande esperienza con le turbine a gas, sviluppò un turbocompressore costituito da due rotori montanti su un singolo albero con un cuscinetto ad entrambe le estremità. La turbina (che aveva un diametro di 10″, circa 23 cm) era azionata dai gas di scarico del motore e trascinava un compressore centrifugo dello stesso diametro la cui girante prendeva aria da due grandi condotti posti ai lati del turbocompressore. L’aria così compressa, raffreddata dall’aria (che ad alta quota è fredda) e non da un intercooler, veniva mandata verso i carburatori, pronta per essere miscelata con la benzina e mandata nei cilindri. I primi esperimenti vennero quindi effettuati dotando di turbo il motore Liberty V12 di un biplano Le Pere (da leggere alla francese, simpaticoni) il quale venne portato in volo a 14.000 piedi (circa 4,2 km) sopra a Pikes Peak, in Colorado. Con grande sorpresa di tutti, il motore riusciva ad esprimere 352 cv anche in quota riuscendo a raggiungere i 220 km/h a 18.000 piedi, laddove non sarebbe riuscito a esprimere più di 200 cv e a volare a più di 140 km/h: era il 1919 e quello fu il momento in cui la General Electric entrò nel mondo dell’aviazione e in cui il turbo iniziò a far le spalle larghe.

– entrambe le foto via General Electric –

Mentre il biplano con motore Liberty turbo faceva segnare moltissimi record di altitudine in quegli anni di pionerismo,  il mondo affilava le armi in vista della seconda guerra mondiale, nell’aria già dai primi anni ’30. Quelli con l’occhio lungo si erano resi conto che l’avere il turbo disponibile su larga scala avrebbe rappresentato un vero asso nella manica e la General Electric venne incaricata di portare avanti nel più totale segreto (per davvero) gli studi sul turbocompressore, trovando finalmente il metallo giusto e le tecniche costruttive più adatte per rendere il turbo affidabile e pronto per la prova costume estate 1941. Vennero provati diversi materiali fra cui la Stellite 6 e la Stellite 21, alla fine venne scelta questa perché più facilmente lavorabile. Sono entrambe due superleghe a base di Cromo e Cobalto resistenti alle alte temperature, un po’ come il moderno Inconel 939, conosciuto anche come, guarda un po’, Altemp.

Fu quindi così che i turbo prodotti dalla General Electric vennero installati sui i Curtiss & Wright Cyclone 9 R-1820 dei Boeing B-17 Flying Fortress (parliamo di questo aereo QUI) e sui Pratt & Withney R-1830 dei Consolidated B-24 Liberator, liberando questi aeroplani dai vincoli di quota fino ad allora esistenti e permettendo loro di volare a quote mai viste prima dai bombardieri, mettendoli in una situazione di maggior tranquillità sia nei confronti flak che della caccia nemica (come visto prima il BF-109 poteva volare fino a 5.700 metri con il DB-605 mentre il FW-190 Kurznase con il suo BMW-801 e compressore a doppio stadio poteva fare molto meglio). La novità del turbo e la nuova quota alla quale viaggiavano le imponenti formazioni di bombardieri spinsero il III Reich verso soluzioni strambe come il Messerschmitt Me-163 Komet o il Bachem Ba-349 Natter, piccoli – e pericolosi – aerei razzo con cui saettare in mezzo ai bombardieri.

– schema dell’impianto di sovralimentazione dei motori del B-17 –

– Per quanto bella e suggestiva, questa foto è falsa, è un fotogramma del film degli anni ’50 Chain Lightning –

A questo punto viene fuori la tipica infamata americana: prima del loro dispiegamento di forze nel vecchio continente, i nipoti dello zio Sam vendettero armi a mezza Europa, Unione Sovietica compresa (che affiancava ai primi Mig e ai Lavochkin i Bell Airacobra): fra i vari clienti vi fu anche la Gran Bretagna la quale, conscia degli ottimi risultati che stavano ottenendo in America i primi test sul B-17 dotato di turbocompressore, chiese agli Stati Uniti di averne una fornitura, quanto meno per porre un limite al tentativo di invasione tedesco. Gli americani, i famosi salvatori del mondo libero, negarono la richiesta per paura che la tanto preziosa e segreta tecnologia dei turbo potesse finire sventuratamente in mano nemica. Il “no” degli americani causò un piccolo incidente diplomatico al quale seguì una fornitura di un lotto di B-17C (rinominato Boeing Fortress), una versione ancora acerba del famoso bombardiere (tra le altre privo del famoso e segretissimo puntatore Norden ma dotato di un prototipo della Sperry, estremamente impreciso per i bombardamenti da alta quota) e che causò alla RAF più problemi che altro al punto che alla fine lo misero a fare da guardiacoste.

Dopo la sola rifilata agli inglesi, per vedere in azione il turbo in tutta la sua potenza dovemmo aspettare gli ultimi anni della guerra, quando gli Stati Uniti riversarono tutta la loro forza sull’Europa bombardando la Germania (e non solo) come se non ci fosse un domani a partire dalla metà del 1942. Nel teatro del pacifico si andò anche oltre, grazie al B-29 Superfortress, dotato di motori biturbo e, per la prima volta, di una fusoliera pressurizzata, eliminando così anche l’uomo dalla lista dei limiti dell’aereo e raggiungendo una quota operativa di oltre 10 mila metri, superiore alla quota di tangenza (la massima raggiungibile) dalle ultime versioni del meraviglioso Mitsubishi Zero.

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Debuttato quindi sui bombardieri, il turbo venne infine adottato anche sugli aerei da combattimento, dando vita a caccia dalle prestazioni entusiasmanti: degni di nota sono sicuramente il Lockheed P-38 Lightning dotato di due Allison V-1710 turbocompressi e il Republic P-47 Thunderbolt, praticamente costruito attorno ad un gigantesco turbocompressore installato nella parte posteriore della fusoliera.

– giusto per capire quanto fosse grosso il P-47 e, nonostante questo, che macchina eccezionale fu –

Questi due aerei, grossi, apparentemente goffi e molto pesanti, si rivelarono estremamente efficaci proprio grazie al turbocompressore che garantiva loro grandissime prestazioni specialmente ad alta quota, risultando così macchine eccezionali e letali. Letali per una aviazione tedesca che aveva perso completamente lo slancio iniziale e che negli ultimi anni della guerra diede vita a macchine straordinarie limitate tuttavia da un impianto industriale andato completamente in pezzi e dalla mancanza di un piano militare ben delineato (che comunque sarebbe stato impossibile mettere in pratica data la situazione). Mentre infatti nel 1944 scendeva in campo il Messerschmitt Me-262, il primo aereo a reazione della storia ad entrare in servizio (comunque con quasi due anni di ritardo per colpa dello stesso Hitler, che nel 1943 ordinò che l’aereo venisse sviluppato come bombardiere e non come caccia), i tecnici della Focke-Wulf si impegnarono per sviluppare una particolare versione del FW-190 dotato di un turbocompressore simile a quello sviluppato dalla General Electric. (da segnalare che sul suolo tedesco vennero abbattuti circa 3.000 B-17 ma, a quanto pare, i tedeschi non sono mai riusciti ad impossessarsi della tecnologia dei turbocompressori in maniera vincente)

L’aeroplano, rinominato Focke Wulf FW-190 “Kangaruh”, era dotato di un motore a V12 invertita Daimler DB-603 sovralimentato da un turbocompressore azionato dai gas di scarico  e posizionato nella parte posteriore della fusoliera, un po’ come nel sopracitato P-47 Thunderbolt.  Il sistema però non funzionò a dovere, l’aeroplano rimase allo stato di prototipo e Kurt Tank, che sapeva benissimo che di lì a poco i combattimenti si sarebbero spostati a quote ben superiori (il servizio di intelligence tedesco aveva già informato la Luftwaffe che da lì a poco sarebbero arrivati in linea anche i B-29), si concentrò nello sviluppo del meraviglioso Ta-152, lo stesso che si rese protagonista di una storia supersborona che raccontiamo in maniera approfondita QUI.

Quindi, per concludere, la volta prossima che aprite il cofano della vostra auto per accarezzare la turbina che tante emozioni vi regala, ricordatevi di questa storia e del suo ruolo nei confronti della storia.

In copertina, dettaglio di uno dei due turbo di una straordinaria Porsche 935 K3