mercoledì, 2 Dicembre, 2020

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L’uomo contro la fisica: la sfida del volo ipersonico

Perché è così difficile spingere un velivolo oltre una certa velocità? Perché le carte in tavola cambiano quando ci si spinge oltre i moti che abbiamo già “conquistato”? La risposta è sempre la stessa: la fisica

Il progresso umano è in accelerazione, e la sua crescita è continua e irrefrenabile, il suo desiderio sempre più ambizioso. In tale ambizione sta tutta la voglia dell’uomo di superare i suoi limiti, ed avvicinarsi sempre più a ciò che nessuno aveva raggiunto prima d’ora. Uno di questi limiti è il volo ipersonico.

I limiti del regime ipersonico

Uno dei problemi ingegneristici fondamentali della nostra epoca è proprio il volo ipersonico. Esso rappresenta per l’uomo un vero e proprio passaggio obbligato per arrivare ad esplorare altri pianeti, diminuire la durata dei voli atmosferici oppure progettare motori sempre più all’avanguardia.

In aerodinamica, un flusso si definisce in regime ipersonico quando supera Mach 5, ossia quando tocca velocità pari a cinque volte la velocità del suono. Le caratteristiche che verranno descritte di seguito non sono certo degli aspetti del flusso che sorgono non appena superata questa velocità. Al contrario, sono questioni fisiche che si rendono man mano sempre meno trascurabili, fino ad incidere pesantemente sulle nostre strutture, tanto da meritarsi una descrizione propria.

Strati d’urto sottile nel volo ipersonico

Nel regime supersonico (tra Mach 1.2 e Mach 5) possiamo notare come dal bordo d’attacco del nostro velivolo si formino delle onde d’urto oblique che, oltre ad essere fonte di resistenza aerodinamica, tendono a formare una discontinuità tra il flusso a monte (idealmente in moto orizzontale) e quello che il velivolo incontra dopo la zona occupata dall’onda d’urto. Infatti a quel punto il flusso tende ad inclinarsi uniformemente attraversando questa zona.

Questo problema è ben più grande se il regime è ipersonico. Infatti, all’aumentare del numero di Mach, l’inclinazione dell’onda d’urto si chiude sempre più intorno al velivolo, e le linee di flusso diventeranno tangenti a quest’ultimo, formando un vero e proprio strato d’urto sottile, che a questo punto diventa un serio problema per il nostro velivolo.

volo ipersonico
La differenza cruciale tra gli angoli formati dall’onda d’urto in regime supersonico (a) e ipersonico (b). Credits: Anderson, John D., Jr., Introduction to flight, McGraw-Hill Book Company, 2000

Strato entropico

Qui il problema è sempre lo stesso, ma localizzato in una zona molto particolare: la “punta” del nostro velivolo, ovvero il primo punto di contatto tra il flusso e la struttura. Da qui, come abbiamo visto in precedenza, si genera un’onda d’orto obliqua, che tende a racchiudere il velivolo stesso. In questa zona, proprio per la sua forma caratteristica “a V”, l’onda d’urto stessa è altamente curvata: presenta cioè dei fortissimi gradienti di velocità, seguita da effetti termodinamici molto pronunciati. Prende perciò il nome di strato entropico.

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La curvatura accentuata presente a bordo d’attacco. Nel riquadro, l’estensione dello strato entropico rispetto allo strato limite. Credits: Anderson, John D., Jr., Introduction to flight, McGraw-Hill Book Company, 2000.

Effetti viscosi e reattività nel volo ipersonico

In regimi di volo relativamente lenti, si presenta, a pochi centimetri dall’ala, uno strato di fluido in cui vi sono gli effetti della viscosità, che è una proprietà del fluido stesso, detto strato limite. A velocità come quelle ipersoniche però tale strato aumenta di spessore, e comincia a “disturbare” il fluido che al contrario non presenta questi effetti, quello anche molto distante dal velivolo. Questo risulta in forti cambiamenti nel modo in cui la pressione è distribuita, e in aumenti significativi di resistenza.

I flussi ad alta velocità sono conseguentemente flussi ad alta energia. Una caratteristica particolare del flusso ipersonico è correlata non tanto all’energia cinetica del velivolo, quanto all’energia interna del fluido stesso. Infatti, lo strato limite e le forze viscose tendono a rallentare il velivolo, dissipando l’energia cinetica in calore, trasferito all’aria circostante. Le alte temperature causate da ciò rendono il flusso chimicamente reattivo: infatti a temperature maggiori di 2000 K l’ossigeno molecolare si dissocerà.

A 4000 K toccherà all’azoto, che reagirà con l’ossigeno atomico, e a 9000 K gli atomi stessi cominceranno a ionizzarsi. Ovviamente ciò risulterà in un cambiamento radicale dei fattori che bisogna considerare. Inoltre le altezze elevatissime per ottenere queste alte velocità ci porta a studiare l’aria come un sistema discreto, viste le basse densità, complicando la discussione aerodinamica ed estendendo il tutto alla Teoria Cinetica dei gas.

Un problema più comune di ciò che si pensa

Nello studio dell’aerodinamica ipersonica è necessario affrontare molteplici fattori molto complessi, e non per semplice sfizio. Questo regime di volo è una barriera di fronte alla quale ci troviamo continuamente quando si parla di rientri atmosferici di capsule spaziali, di motori che lavorano a regimi ipersonici, come RamJet e ScramJet, di atterraggi extra-planetari. A questo proposito soluzioni per voli a questo regime sono dati dai cosidetti waverider: velivoli modellati così da tenere l’onda d’urto lungo tutto il bordo d’attacco, “cavalcando” così l’onda.

L’uomo ha sempre avuto l’ardore di affrontare le difficoltà per arrivare a vedere e a toccare ciò che mai era stato visto o toccato, sfruttando la natura e le sue leggi non tanto quanto un limite, ma più come un binario su cui scorrere, plasmandola a suo piacimento. D’altronde è lo scopo ultimo di ognuno di noi, frantumare ogni limite umano al fine di raggiungere le stelle.

A cura di Luigi Marchese

CUE FACT CHECKING

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  • Anderson, John D., Jr., Introduction to flight, McGraw-Hill Book Company, 2000;
  • Anderson, John D., Jr., Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics, McGraw-Hill Book Company 1988;