Scramjet

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Il veivolo X-43 della NASA a Mach 7

Lo Scramjet è un motore, sviluppato dalla NASA, che dovrebbe consentire la costruzione di un aereo a reazione capace di velocità ipersoniche (almeno Mach 7) per ora raggiunte solo dai missili.

Indice

1 Caratteristiche tecniche
2 Sviluppo del motore Scramjet
3 Differenze tra motori scramjet (e ramjet) e motori convenzionali
4 Primo test di uno scarmjet
- 4.1 Fasi dell'esperimento
5 Altri test successivi
6 Sviluppi commerciali ancora lontani
7 Voci correlate

[modifica] Caratteristiche tecniche

Il termine Scramjet è l'acronimo di Supersonic Combustion Ramjet e, come il nome lascia intuire, è una variante della propulsione Ramjet (in italiano "Statoreattore"), dalla quale differisce principalmente per il fatto che il flusso d'aria in camera di combustione è a velocità supersoniche; per velocità molto elevate, infatti, l'aria che viene rallentata dalla presa dinamica raggiunge temperature troppo elevate e non è più possibile somministrargli calore.

[modifica] Sviluppo del motore Scramjet

[modifica] Premessa

I motori ad aspirazione d'aria sono quelli usati convenzionalmente sugli aerei militari e civili: l'aria viene aspirata nel motore e miscelata con un combustibile infiammabile, creando la propulsione che spinge l'aereo in avanti. La maggior parte di questi motori sono turbogetti, che hanno il limite delle loro prestazioni a velocità comprese tra Mach 3 e Mach 4. Il più veloce aereo spinto da un motore ad aspirazione d'aria, l'SR-71 Blackbird, raggiunse velocità appena superiori a Mach 3 (circa Mach 3,2). Il Concorde poteva volare a Mach 2 e un F-15 a Mach 2,5, mentre un Boeing 747 arranca a una velocità di Mach 0,8, ossia circa 880 Km/h. Finora solo i razzi del Progetto Apollo hanno superato i Mach 30.

[modifica] Limiti dei motori convenzionali

Per lasciare l'atmosfera terrestre ed entrare nello spazio, un velivolo deve raggiungere velocità comprese fra Mach 20 e 25. Per i lanci dei satelliti e dello Space Shuttle, la spinta è fornita da enormi razzi, che sono però pesanti, di solito non riutilizzabili, hanno una scarsa manovrabilità e richiedono un decollo verticale, e di conseguenza, anche la sicurezza rappresenta un problema. Ben consci degli svantaggi dei razzi, gli scienziati della NASA e dell'aviazione militare statunitense, nonché quelli di altri laboratori internazionali, hanno cercato di trovare un'alternativa. Durante gli ultimi 40 anni, i loro sforzi hanno portato a significativi sviluppi nella progettazione dei motori. Nei normali motori a reazione le turbine comprimono l'aria in ingresso, aumentandone la pressione prima di miscelarla al combustibile. I prodotti della combustione si espandono poi a pressione atmosferica mentre escono dal motore, creando così una spinta. Ma le turbine sono intrinsecamente limitate per quanto riguarda la velocità a cui possono spingere un aereo. Via via che le palette girano più velocemente, risucchiano più aria e creano più spinta.

All'aumentare della velocità dell'aereo, tuttavia, l'aria che colpisce le turbine dissipa più calore: il pericolo dei voli supersonici è che il motore potrebbe letteralmente fondersi. Anche una turbina fatta con i migliori materiali esistenti può raggiungere velocità massime di soli Mach 3,5.

[modifica] Un primo passo: i motori ramjet

Per veicoli più veloci, gli ingegneri hanno approfittato del flusso di aria supersonico entro il motore progettando il sistema perché agisca esso stesso da compressore. Le turbine e il compressore meccanico sono stati rimpiazzati da una valvola di ingresso che incanala l'aria, spingendola così rapidamente che si comprime da sola. Questi motori, chiamati ramjet, hanno permesso un salto di velocità fino a circa Mach 6. Essi sono stati usati in missili, nei quali la propulsione viene affidata al ramjet non appena il razzo ha raggiunto velocità supersoniche.

In simili condizioni, tuttavia, l'aria si muove così velocemente che, quando colpisce la camera di combustione per miscelarsi con il combustibile, la corrispondente caduta nella velocità del flusso genera un enorme calore. A Mach 6, la temperatura supera i 3300° centrigradi, portando alla dissociazione chimica. La combustione inizia, ma anziché acqua (la cui formazione sarebbe accompagnata da un fortissimo aumento della pressione e un'enorme spinta) la reazione produce radicali liberi a pressione molto più bassa e con una spinta inferiore: in altre parole, l'aereo rallenta.

[modifica] Dal ramjet allo scramjet

Per impedire tale rallentamento, si è riprogettato ancora una volta il motore, modificando la valvola di ingresso in modo che la riduzione della velocità del flusso di aria fosse meno marcata. Come risultato, la temperatura non raggiunge il punto in cui ha inizio la formazione dei radicali liberi. Questo nuovo motore è stato battezzato dai progettisti scramjet.

Ma la soluzione del problema delle alte temperature ne ha prodotto un altro. La sfida successiva è stata quella di far miscelare uniformemente l'aria in moto a velocità supersoniche con il combustibile e bruciare la miscela entro pochi millesimi di secondo. Il perfezionamento di questa tecnologia, i cui dettagli sono al momento coperti da segreto militare, ha permesso infine la costruzione di uno scramjet funzionante. Il massimo teorico di velocità è stato innalzato ancora, almeno fino ai Mach 20 o 25 necessari a raggiungere l'orbita e forse di più, con un limite che deve ancora essere determinato.

Uno svantaggio degli scramjet (e anche dei ramjet) è che essi non possono funzionare a bassa velocità, dato che necessitano di aria compressa in ingresso. Essi non hanno dunque la cosiddetta spinta a punto fisso, ossia non sono in grado di partire da fermi ma devono per così dire essere "lanciati". In altre parole, dal momento che richiede un flusso in entrata che sia supersonico, lo scramjet deve trovarsi almeno ad una certa velocità minima per poter operare; questa velocità non è nota con sufficiente precisione, a causa dell'esiguo numero di scramjet funzionanti e dell'ancora poca esperienza in questo nuovo campo di ricerca; partendo dai dati disponibili, essa dovrebbe essere compresa tra i Mach 5 e i 7-9 Mach.

Una soluzione in fase di studio è quella del funzionamento multimodale, in cui l'aereo è spinto prima da un motore a turbina avanzato (per velocità fino a Mach 2 o 3), poi da un ramjet (fino a circa Mach 6) e poi da uno scramjet.

Oltre che nei test assistiti da razzi, veicoli e motori sono stati sperimentati con l'aiuto di modelli, sia nelle gallerie del vento sia in simulazioni al calcolatore. Ma simili studi sono limitati a velocità fino a Mach 7, in quanto via via che si sale con il numero di Mach è necessario simulare la temperatura di stagnazione, dove il flusso d'aria viene bloccato in corrispondenza della prua del veicolo, e i valori diventano molto alti; a Mach 10 supererebbero i 4000° kelvin. Al momento non si conoscono ancora metodi per scaldare aria a quella temperatura per effettuare test in galleria del vento.

Anche l'attuale conoscenza della fluidodinamica è limitata allo stesso modo, poiché al di sopra di Mach 7 i fenomeni fisici, incluso il flusso di aria attraverso il motore, diventano troppo complessi per essere simulati, anche su calcolatori molto potenti.

[modifica] Differenze tra motori scramjet (e ramjet) e motori convenzionali

I motori scramjet (e ramjet) a livello di meccanica sono molto semplici: anche essi sono formati essenzialmente dalle 2 sezioni principali, ma loro complessità è "limitata" alla geometria data la riduzione al minimo delle parti mobili:

Presa d'aria - grazie alla sua particolare geometria rallenta il flusso mediante urti obliqui (per ridurre quanto possibile le perdite di pressione totale).
Camera di combustione - dopo la presa dinamica l'aria è immessa in camera di combustione nella quale entra l'aria a velocità supersonica (contrariamente al ramjet ove la combustione è subsonica) e viene iniettato il combustibile (solitamente idrogeno) in modo che avvenga la combustione.

Non vi sono componenti mobili nel propulsore e in particolare non sono presenti le turbine dei motori turbofan o turbojet. Il problema delle turbine infatti risiede nella difficoltà che esse hanno di tollerare elevate temperature (vedi fenomeni di crepe).

[modifica] Primo test di uno scarmjet

Nel 2001 il velivolo X-43, appartenente al programma Hyper-X della NASA, e che includeva aereo e motore in una singola unità, ha compiuto il primo test di un motore scramjet. A causa degli estremi stress ipersonici e della necessità di ridurli con un'accuratissima messa a punto dell'aerodinamica, non c'era di fatto differenza funzionale fra aereo e motore. Il velivolo, lungo 3,5 metri e del peso di 1400 Kg, è stato progettato per minimizzare il peso fornendo allo stesso tempo la massima protezione termica. L'X-43 è stato in grado di resistere all'intenso calore generato dalla combustione e dalle onde d'urto causate dal moto ipersonico attraverso l'atmosfera.

Le ali, con un'apertura di soli 1,5 metri, erano costruite con una lega resistente alle alte temperature e i componenti strutturali e la superficie esterna erano una combinazione di titanio, acciaio e alluminio, ricoperti con le stesse piastrelle di protezione termica usate sullo space shuttle. Le ali, la coda e la prua del velivolo erano rinforzate con materiali compositi di fibre di carbonio, che diventavano più resistenti all'aumentare della temperatura. Il combustibile utilizzato è stato l'idrogeno gassoso, insieme con silano, un composto che brucia a contatto con l'aria, il cui compito è stato quello di innescare la combustione (come la scintilla della candela in un motore da automobile). I dati di volo sono stati forniti da oltre 500 strumenti a bordo del velivolo, che hanno misurato pressione, temperatura e sollecitazioni meccaniche.

[modifica] Fasi dell'esperimento

La NASA ha montato l'X-43 su un razzo Pegasus modificato, battezzato Hyper-X Launch Vehicle (HXLV). L'X-43 e l'HXLV sono stati poi montati su un bombardiere B-52, che ha volato a Mach 0,5 a una quota di circa 6000 metri al largo della costa della California, vicino a Los Angeles. Da lì è stato lanciato il razzo Pegasus, che ha portato l'X-43 fino a Mach 7 a circa 30000 metri di quota nella stratosfera, dove infine è stato acceso il motore del velivolo sperimentale.

Il razzo e l'X-43 a questo punto si sono separati e quest'ultimo ha cominciato a volare da solo. Questa particolare manovra a velocità ipersoniche è stata la parte a più alto rischio dell'esperimento, in quanto i fattori aerodinamici non avevano mai potuto essere verificati prima di allora, a parte nelle simulazioni al calcolatore.

Alla separazione, l'X-43 aveva combustibile per circa 7 secondi. Una volta spento il motore, il veicolo ha eseguito una serie di manovre preprogrammate, in modo che fosse possibile studiarne la stabilità dei comandi, la portanza e l'attrito mentre decelerava perdendo quota. In totale il percorso è stato di circa 700 miglia nautiche ed è durato 12 minuti, terminando con uno ammaraggio a circa 480 Km/h. Anche a quella velocità il velivolo non si è distrutto nell'impatto con l'acqua, ma era comunque prevista la sua perdita, anche perché il fondale in quella zona raggiunge i 5000 metri.

I dati riguardanti le prestazioni, però, erano già stati raccolti. Durante il volo, un aereo P-3 ha registrato e trasmesso le misurazioni dell'X-43 a terra, mentre un altro P-3 e un F-18 hanno registrato un video del volo e un pallone meteorologico ha registrato la pressione e la temperatura atmosferica nella zona.

[modifica] Altri test successivi

Questo esperimento è stato il primo di una serie di tre, con un secondo volo a Mach 7 effettuato alcuni mesi più tardi e un altro a Mach 10 avvenuto un anno dopo. Gli obiettivi erano di dimostrare che un veicolo spinto da uno scramjet poteva effettivamente volare e in seguito di usare i dati raccolti per ricalibrare i metodi di progettazione, inclusi gli esperimenti nella galleria del vento e le simulazioni al calcolatore.

[modifica] Sviluppi commerciali ancora lontani

Potenzialmente, un sistema del genere potrebbe assicurare un servizio passeggeri fra Washington e Tokyo in 2 ore. In realtà, anche le prime fra le applicazioni più probabili (missili militari leggeri che possano essere lanciati da posizioni lontane e sicure pur raggiungendo velocemente il bersaglio) sono ancora lontane da 5 a 15 anni. Per assistere al volo di uno scramjet nello spazio, poi, potrebbe essere necessario attendere ancora qualche decennio.

[modifica] Voci correlate

Motori aeronautici
	Motore · Motore a combustione interna · Motore rotativo · Motore in linea · Motore a U · Motore a V · Motore a W · Motore ad H · Motore a cilindri contrapposti · Motore radiale (stellare)

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