L’angolo scientifico: la propulsione ipersonica

Il nostro illustre concittadino Luca Maddalena è attualmente Professore Ordinario di Ingegneria Aerospaziale e Direttore del Centro Ricerche di Aerodinamica, ARC, all’Università del Texas ad Arlington (USA).

In questo articolo approfondiamo alcuni degli argomenti che sono oggetto delle sue ricerche. Come si desume dal sito del suo gruppo (https://maddalenagroup.uta.edu), esse sono principalmente di tipo sperimentale, e riguardano la miscelazione e la combustione nei flussi supersonici turbolenti e l’applicazione di queste alla propulsione ipersonica “airbreathing”, i sistemi di protezione e gestione termica per il volo ipersonico sostenuto, la diagnostica laser avanzata applicata ai flussi di tipo ipersonico. La tecnologia di propulsione ipersonica riguarda il futuro del campo aerospaziale. Si parla di “regime ipersonico” quando le velocità coinvolte superano di circa cinque volte la velocità del suono nel fluido in cui il moto sta avvenendo. Per caratterizzare il comportamento del moto in un fluido si utilizza in pratica un valore, detto numero di Mach, che corrisponde al rapporto (frazione) tra la velocità del corpo che si sta muovendo nel fluido e la velocità del suono in quello stesso fluido. Questo rapporto, nel caso dei sistemi ipersonici, corrisponde ad un numero di Mach uguale o maggiore a 5 (cioè in aria a più di 6000 km/h).

Le ricerche del professor Maddalena riguardano in particolare i motori ipersonici “airbreathing”, che utilizzano principalmente l’ossigeno dall’atmosfera come ossidante. Per ottenere questo tipo di motori vi sono diverse tecnologie, come gli scramjet, e vari tipi di motori a ciclo combinato, che uniscono cioè caratteristiche di diverse tipologie di propulsione in un unico motore.

Lo scramjet comprime l’aria in entrata prima della combustione usando la velocità del veicolo. È privo di parti rotanti, e a causa di questo fatto non permette, ad esempio, il decollo. Per poter decollare serve quindi un altro motore a turboreattore “tradizionale”, che tra l’altro ha il ruolo di portare il propulsore alla velocità alla quale funziona in condizioni ottimali. Gli aspetti problematici dei motori ipersonici, che sono quindi oggetto di ricerca, sono il controllo delle temperature, le sollecitazioni, la stabilità dei flussi. Nello screamjet vi è una prima zona di compressione dell’aria che entra, che viene rallentata ma rimane a velocità supersonica. Vi è poi la camera di combustione, in cui viene direttamente iniettato combustibile nebulizzato. Anche la combustione avviene in regime supersonico. L’ultima parte del motore scramjet è costituito dall’ugello, che aumenta notevolmente la velocità del fluido. Con gli scramjet si pensa di poter volare fino a Mach 15 (più di 18000 km/h).

Per approfondire: https://vehiclecue.it/ramjet-scramjetpropulsione- oltre-limite-parte-1/12484/.

Lorenzo Marafatto