Il volo ipersonico potrebbe rivoluzionare i trasporti globali: tratte come Sydney–Los Angeles ridotte a un’ora, superando sfide di turbolenza e calore, con prospettive anche per il viaggio spaziale
Tecnologia ipersonica: il sogno dei voli globali in un’ora.
Se mai si realizzasse davvero, il volo ipersonico che una volta esisteva solo nei libri di fantascienza potrebbe stravolgere del tutto i viaggi in giro per il mondo. Tragitti che oggi richiedono un’intera giornata potrebbero ridursi alla durata di un film tipico. Un volo da Sydney a Los Angeles, per esempio, potrebbe durare appena un’ora invece di quindici.
«Riduce davvero le distanze del pianeta», afferma il professor Nicholaus Parziale (1), la cui ricerca si concentra nel rendere reale un tale volo ipersonico, e che è stato di recente insignito del Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers per i suoi studi sulla meccanica dei fluidi che influenza il volo ad alta velocità. «Renderà i viaggi più rapidi, più semplici e più piacevoli».
La barriera del calore e della turbolenza
Coprirne metà del globo in un’ora può sembrare impossibile, eppure questo obiettivo si sta avvicinando. Gli aerei militari già raggiungono velocità doppie o addirittura triple rispetto a quella del suono, ossia Mach 2 e Mach 3, dove Mach 1 equivale a circa 122O chilometri orari al livello del mare. Per compiere il viaggio Los Angeles–Sydney in un’ora, un aereo dovrebbe raggiungere Mach 10, ovvero dieci volte la velocità del suono. La sfida principale sta nella forte turbolenza e nel calore che produce un aereo quando passa attraverso l'atmosfera a velocità tanto elevate.
L'aria non reagisce ugualmente a velocità basse o alte. Gli ingegneri aerospaziali impiegano parole precise per spiegare questa variazione. Parliamo di flusso incomprimibile e flusso comprimibile. Il flusso incomprimibile capita a velocità più basse. Si tratta di sotto Mach 0,3, ovvero circa 360 chilometri all'ora. Qui la densità dell'aria varia poco. Questo rende i calcoli per la progettazione abbastanza facili. Però, dopo aver superato la barriera del suono, il flusso d'aria si fa comprimibile. «Questo succede perché un gas si può schiacciare, o in parole scientifiche comprimere», dice il dottor Nicholaus Parziale.
Come la comprimibilità cambia la dinamica del volo
La compressione provoca variazioni drammatiche nella densità dell’aria al variare di pressione e temperatura, modificando il modo in cui l’aeromobile interagisce con l’aria circostante. «La comprimibilità influenza come il flusso d’aria scorre attorno al corpo e questo può alterare fattori come portanza, resistenza e spinta necessaria per il decollo o per restare in volo». Questi aspetti sono fondamentali per il design di qualsiasi aeromobile.
Gli ingegneri conoscono già bene il comportamento del flusso d’aria per aerei che volano a velocità inferiori o prossime a quella del suono, dette “bassi numeri Mach”. Ma progettare veicoli che viaggiano a cinque o dieci volte quella velocità richiede di comprendere il flusso d’aria in condizioni molto più estreme. Questo enigma è ancora in parte senza una soluzione chiara. C'è solo un'idea principale che lo guida, e si chiama ipotesi di Morkovin.
L'ipotesi di Morkovin si occupa della turbolenza oltre la barriera del suono
Mark Morkovin l'ha formulata verso la metà del Novecento. Secondo questa ipotesi, quando l'aria viaggia a Mach 5 o Mach 6, il modo in cui si comporta la turbolenza non varia tanto rispetto a velocità inferiori. Certo, la densità e la temperatura dell'aria cambiano di più nei flussi rapidi. Ma l'ipotesi dice che quel movimento irregolare della turbolenza resta in fondo lo stesso, senza grandi differenze.
«In pratica, l’ipotesi di Morkovin significa che il modo in cui l’aria turbolenta si muove a basse e alte velocità non è poi così diverso», racconta Parziale. «Se l’ipotesi è corretta, significa che non abbiamo bisogno di un approccio completamente nuovo per comprendere la turbolenza a queste velocità elevate. Possiamo usare gli stessi concetti che utilizziamo per i flussi più lenti». Questo implica anche che i velivoli ipersonici non richiedano un approccio di progettazione significativamente diverso.
Tuttavia, finora nessuno è riuscito a fornire prove sperimentali sufficienti a supportare l’ipotesi di Morkovin. Questo è diventato l’argomento dello studio del professor Parziale, intitolato “Hypersonic Turbulent Quantities in Support of Morkovin’s Hypothesis”, che è stato pubblicato su Nature Communications.
Testare l’ipotesi: laser, cripto e un decennio di lavoro
Nello studio, il team di Parziale ha utilizzato laser per ionizzare un gas chiamato cripto, che viene aggiunto all’aria che scorre all’interno di una galleria del vento. Questo ha temporaneamente fatto sì che gli atomi di cripto formassero una linea inizialmente dritta e luminosa. I ricercatori hanno poi usato telecamere ad altissima risoluzione per fotografare come questa linea fluorescente di cripto si muove, si piega e si attorciglia nell’aria della galleria del vento - simile al modo in cui una foglia turbinerebbe i vortici di un fiume.
«Mentre la linea si muove con il gas, si possono vedere pieghe e strutture nel flusso, e da ciò possiamo imparare molto sulla turbolenza», spiega il dottor Nicholaus Parziale, aggiungendo che ha impiegato 11 anni per costruire questa ingegnosa configurazione. «E quello che abbiamo scoperto è che a Mach 6, il comportamento della turbolenza è molto simile a quello del flusso incomprimibile».
Inizialmente, il gruppo di Parziale è stato sostenuto dal Young Investigator Research Program (YIP) dell’Air Force Office of Scientific Research nel 2016 e dallo stesso programma dell’Office of Naval Research (ONR) nel 2020, mentre il lavoro attuale è sostenuto dall’ONR.
Verso il volo ipersonico e il viaggio spaziale
Sebbene l’ipotesi non sia ancora pienamente confermata, lo studio ci avvicina di un passo al volo ipersonico, poiché suggerisce che gli aeroplani non abbiano bisogno di un design completamente nuovo per volare a velocità ipersoniche. E questo semplifica le cose.
«Oggi dobbiamo usare computer per progettare un aereo, e le risorse computazionali necessarie per simulare tutti i piccoli dettagli di un velivolo che vola a Mach 6 sarebbero impossibili da gestire», spiega Parziale. «L’ipotesi di Morkovin ci permette di fare assunzioni semplificative, rendendo più gestibili le richieste computazionali per progettare veicoli ipersonici».
«I risultati dello studio offrono anche nuove prospettive per il trasporto spaziale. Se riusciremo a costruire aerei che volano a velocità ipersoniche, potremo farli volare anche nello spazio, invece di lanciare razzi, rendendo più semplice il trasporto da e verso l’orbita terrestre bassa. Sarà una vera rivoluzione non solo per i trasporti sulla Terra, ma anche per quelli nell’orbita bassa», Conclude il dottor Nicholaus Parziale.
La Stevens Institute of Technology è un'importante università di ricerca privata situata a Hoboken, nel New Jersey. Sin dalla nostra fondazione nel 1870, l’innovazione tecnologica è stata il segno distintivo dell’istruzione e della ricerca di Stevens. All'interno delle tre scuole e di un college dell'università, più di 8.000 studenti universitari e laureati collaborano strettamente con i docenti in un ambiente imprenditoriale interdisciplinare, incentrato sullo studente. I programmi accademici e di ricerca che abbracciano affari, informatica, ingegneria, arte e altre discipline fanno avanzare attivamente le frontiere della scienza e sfruttano la tecnologia per affrontare le sfide globali più urgenti. L'università continua a essere costantemente classificata tra i leader della nazione nei servizi di carriera, negli stipendi post-laurea degli ex studenti e nel ritorno sugli investimenti scolastici (3).
Riferimenti:
(2) Hypersonic turbulent quantities in support of Morkovin’s hypothesis
(3) Stevens Institute of Technology
Descrizione foto: Nicholaus Parziale e i suoi studenti si stanno preparando per un esperimento nella galleria del vento. - Credit: Stevens Institute of Technology.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Stevens Researchers Bring Hypersonic Flight One Step Closer to Take Off