Un motore aeronautico è un motore progettato per essere impiegato come produttore dell'energia necessaria a muovere un aeromobile. Come architettura e componentistica non si discosta molto dai motori alternativi per l'industria automobilistica, ma adottano una serie di accorgimenti per esaltare l'affidabilità e il rapporto potenza-peso.
Le origini Nella primissima fase della storia aeronautica anche la tecnologia dei motori era ai suoi esordi. Quello che sarebbe diventato il principale tipo di motore endotermico negli anni a venire venne perfezionato nel 1860 dall'ingegnere tedesco Nikolaus August Otto. Tuttavia bisogna aspettare un ventennio per la produzione delle prime autovetture ed un altro ventennio per la nascita dell'aeronautica moderna.
All'inizio del XX secolo i motori a vapore dell'epoca erano troppo complessi, ingombranti e pesanti per essere adeguati all'applicazione aeronautica, mentre i motori a ciclo Otto erano ancora agli albori, di conseguenza la maggior parte dei motori aeronautici dell'epoca pionieristica era costruita artigianalmente.
I fratelli Wright riuscirono ad effettuare il loro celebre primo volo il 17 dicembre 1903, ma il loro Wright Flyer era spinto da un motore a 4 cilindri da 12 cavalli (9 kW) da circa 3,3 litri di cilindrata, costruito appositamente, seppure non troppo dissimile da quelli automobilistici.
Louis Blériot per il suo Blériot XI utilizzò un motore Anzani a tre cilindri a "ventaglio" (o a W) da circa 3 litri da 25 cavalli, di derivazione motociclistica, modificato dallo stesso Anzani potenziando un V-twin con l'aggiunta di un cilindro centrale.
Il primo a commercializzare motori espressamente progettati e costruiti in serie per l'utilizzo in aeronautica fu Léon Levavasseur che produsse i motori Antoinette 8V. Queste unità ad 8 cilindri a V erano particolarmente avanzate per l'epoca, comprendevano infatti raffreddamento a liquido, una prima rudimentale forma di iniezione diretta, e a fronte di un peso di soli 90 kg erogavano tra i 50 e i 60 cavalli, un risultato straordinario per l'epoca (1906).
Gli sviluppi dell'aeronautica
Nella prima parte della propria storia operativa, l'evoluzione dei motori aeronautici seguì l'evoluzione tecnica dei motori a pistoni impiegati per scopi automobilistici. La principale differenza stava nelle elevate dimensioni rispetto a questi ultimi, sia per riuscire ad erogare la potenza necessaria a far sollevare il velivolo da terra e mantenerlo in volo, e sia per una particolare architettura che per motivi di ingombro venne praticamente ignorata nel campo delle due e quattro ruote, il motore rotativo ed il motore radiale.
Questi erano i primi motori utilizzati in questo campo, derivati da una semplice ma geniale considerazione: dal momento che il componente di gran lunga più pesante di tutto il motore è l'albero a gomiti, disponendo i cilindri "a stella" si poteva ridurre al minimo la lunghezza e quindi il peso del componente, che al contempo diveniva anche più robusto. Un loro ulteriore vantaggio stava nella modularità del progetto, ovvero nell'intercambiabilità delle principali componenti meccaniche, riducendo costi e tempi di progettazione e realizzazione. Dato che la tecnologia delle lavorazioni meccaniche di allora non consentiva di realizzare alette di raffreddamento sui cilindri sufficientemente fitte, inizialmente si ebbe una preferenza per il motore rotativo rispetto al motore radiale in quanto ruotando assieme all'elica generava da sé il flusso d'aria per raffreddare i cilindri. Era tipico che da un motore se ne ricavasse una serie, per poter equipaggiare la gamma di produzione di unità in fasce determinate in base alla potenza erogata. Nell'Impero tedesco tali classi avevano una nomenclatura ufficiale basata sulla numerazione romana, ad esempio i Mercedes D.III o BMW IV utilizzati su velivoli della prima guerra mondiale. Quest'ultima diede una sferzata alla ricerca aeronautica, indirizzando i progettisti verso l'uso di materiali più leggeri e nel contempo ricercando doti di sempre maggiore affidabilità e potenza erogata. Sul finire degli anni 10 il motore rotativo raggiunse il suo limite, perché al crescere della dimensione aumentava anche l'effetto giroscopico che rendeva l'aereo difficile da manovrare, ed inoltre erano limitati nel regime di rotazione intorno ai 1200 - 1300 RPM perché oltre tale soglia la resistenza aerodinamica data dalla rotazione dei cilindri aumentava drasticamente, dissipando tutta la potenza che l'aumento dei giri avrebbe permesso. Per contro, l'evoluzione tecnologica nelle lavorazioni meccaniche e nella metallurgia consentì di iniziare a produrre motori radiali robusti e affidabili che potevano facilmente essere scalati come dimensioni. Da qui lo sviluppo tecnologico si fece sempre più veloce e nel giro di pochi anni i motori realizzati permisero di aumentare le dimensioni e la capacità di carico dei velivoli, inaugurando l'aviazione commerciale.
In questo periodo nacque la rivalità tra motori radiali e motori in linea, in quanto i primi, all'aumentare della potenza aumentavano anche le dimensioni frontali a scapito dell'aerodinamicità di tutto il velivolo. I secondi invece permettevano di contenere l'ingombro e nel contempo aumentarono anche la loro efficienza adottando il raffreddamento a liquido, tecnicamente meno complesso da realizzare che nei motori radiali. In linea generale, i motori radiali vennero impiegati quando le potenze in gioco non superavano i 150 - 200 cavalli, al di sopra invece erano impiegati motori in linea.
Aziende come la Rolls-Royce che durante la prima guerra mondiale erano state costrette a convertire la produzione per l'industria bellica, proposero motori basati sulla loro esperienza sui motori automobilistici, in particolare nel caso specifico i motori V12, iniziando con l'Eagle e il Kestrel, mentre la Hispano-Suiza diffuse i suoi motori V8.
Nel periodo tra la prima e la seconda guerra mondiale si assistette ad una diversificazione di linee di pensiero. Se in Europa le aziende producevano sia motori di un tipo che dell'altro, negli Stati Uniti d'America la produzione e l'orientamento venne influenzato dalla specifica richiesta della U.S. Navy per l'utilizzo del motore radiale, considerato più affidabile anche in caso fosse stato colpito da fuoco nemico. Se infatti un colpo avesse messo fuori uso uno dei cilindri, il motore non avrebbe smesso del tutto di funzionare permettendo una possibile manovra di emergenza da parte del pilota, con evidenti vantaggi umani ed economici. Non mancheranno tuttavia esempi eccellenti di motori aeronautici V12 statunitensi, i più famosi dei quali furono gli Allison V-1710 e i Rolls-Royce Merlin prodotti su licenza dalla Packard.
Della stessa linea anche l'aviazione giapponese che, a parte qualche esempio di motore "tradizionale" prodotto su licenza, rimase legata a questa configurazione. Fu in questo periodo che, per rincorrere l'esigenza di poter disporre di sempre maggior potenza, vennero realizzati i primi motori radiali a doppia stella, raddoppiando il numero dei cilindri posizionati su due file, ottenendo motori dagli ingombri frontali comparabili a quelli a singola stella. Parallelamente i motori concorrenti in linea si trasformarono inizialmente in motori progettati per funzionare con i cilindri rivolti verso il basso, per consentire di abbassare l'asse dell'elica e di conseguenza aumentare la visibilità anteriore nei monomotori.
Nella seconda parte del periodo si cominciò a dotare i motori aeronautici di compressori, in grado di aumentare la pressione di alimentazione e di mantenerla costante al variare della quota, e di riduttori di velocità, per poter essere meno vincolati alla velocità di rotazione del motore, prima obbligata dal mantenimento delle caratteristiche di velocità dell'elica.
Il secondo conflitto mondiale
Un altro triste esempio di come la guerra possa essere determinante per lo sviluppo tecnologico è lo sforzo compiuto dagli ingegneri per sviluppare motori sempre più potenti per equipaggiare velivoli da combattimento. Durante la seconda guerra mondiale i progettisti migliorarono ulteriormente le prestazioni dei motori, aggiungendo compressori a più stadi, impianti di raffreddamento a liquido pressurizzati, turbocompressori per usufruire di tutta la potenza disponibile dal sistema e sistemi di iniezione, come il tedesco MW 50, che permettevano anche l'utilizzo di carburanti ad alto rendimento.
Vennero realizzati i più grandi motori radiali, come lo statunitense Pratt & Whitney R-4360, detentore del primato, con i suoi 28 cilindri disposti su quattro stelle di sette cilindri ognuna: il motore a pistoni più grande mai prodotto in serie, capace di erogare potenze, a seconda della versione, dai 3000 ai 4300 cavalli. Un altro celebre esempio fu il Wright R-3350, a 18 cilindri su doppia stella, anch'esso in grado, nella sua versione di punta dotata di tre turbine di recupero dei gas di scarico, di oltrepassare il "muro" dei 3000 cavalli. Parallelamente in Europa, la Rolls-Royce aveva introdotto il suo più grande e tecnologicamente avanzato motore V12, il Griffon, dotato di compressore a doppio stadio e tre velocità, e in alcune versioni di eliche controrotanti, capace di potenze di oltre 2000 cavalli. La Germania, dal canto suo, adottò un approccio "misto" e nel corso del conflitto continuò a sviluppare sia il Daimler-Benz DB 601, un V12 "rovesciato" dotato sin dal principio di iniezione diretta di benzina e un compressore con ingaggio automatico comandato da sensore barometrico, e sia il BMW 801, un motore radiale dotato di raffreddamento ad aria forzata grazie ad una ventola supplementare, che gli consentì di adottare una carenatura più "attillata" e risultare quindi più aerodinamico. Per entrambi, a seconda delle versioni, la potenza era compresa nell'intervallo tra i 1500 e i 2000 cavalli.
Verso la fine del conflitto iniziarono a comparire architetture più complesse accoppiando ad un albero di uscita comune due motori a V, per ottenere motori con architettura a X e a W oppure due motori a cilindri contrapposti per ottenere l'architettura ad H, il più famoso dei quali fu il Napier Sabre, mostruoso motore a 24 cilindri, che grazie al frazionamento spinto e l'adozione di valvole a fodero, era in grado di operare allo stratosferico regime di rotazione di 4000 giri, un numero di giri molto più elevato dei concorrenti (il Merlin, al confronto, non superava i 3000 giri) e sprigionare oltre 2500 cavalli.
Il più grande motore radiale aeronautico mai realizzato come prototipo, ma che non vide mai il servizio operativo, fu invece il Lycoming XR-7755, autentico canto del cigno della tecnologia dei motori a pistoni aeronautici appena prima che venissero soppiantati dai motori a turbina. Era un colosso da 127 litri (7755 in³) di cilindrata con 36 cilindri su 9 bancate da 4 cilindri ciascuna, raffreddato a liquido, con alberi a camme in testa dotati di un doppio set di camme (decollo/crociera), sovralimentato con compressore meccanico e turbocompressore, dotato di alberi per eliche controrotanti e riduttore di giri a due velocità. La sua potenza era di 5000 cavalli a 2600 giri/min. ma il suo sviluppo fu abbandonato appunto a causa della diffusione dei motori a getto e turboelica.
Si stava infatti per approssimare una nuova fase, che avrebbe rapidamente relegato a ruoli minori la tecnologia fino ad allora utilizzata. Il problema da superare, infatti, era connesso alla limitata velocità di punta a cui poteva arrivare la propulsione ad elica (circa 700 km/h, all'epoca). Due ingegneri, il tedesco Hans von Ohain ed il britannico Frank Whittle, avevano messo a punto i motori che, nelle ultime fasi della guerra, resero evidenti i progressi ed i possibili sviluppi dei loro motori a getto.