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Spazio

Le nuove frontiere del volo

24 Apr 2012 - Mario Arpino - Mario Arpino

Dopo cent’anni o poco più, la straordinaria avventura del volo non può certo dirsi conclusa. Nuove sfide già spuntano all’orizzonte. Ad esempio, ci sono ampie porzioni dell’alta atmosfera ancora inesplorate dal punto di vista aerodinamico e, sotto questo profilo, il volo ipersonico (velocità pari a cinque volte quella del suono o superiori) è ancora un illustre sconosciuto.

Lo stesso Space Shuttle, da poco a riposo, sembrava un mezzo la cui sicurezza era data per scontata, mentre, nella fase di rientro, in realtà era un vero e proprio aeroplano che attraversava a regime ipersonico una larga fascia dell’atmosfera senza prima essere stato oggetto di sperimentazione intensiva. Ha compiuto in tutto 135 rientri (di cui uno, quello del Columbia, finito tragicamente) senza mai deviare da quell’unico sentiero e da quei rigidi parametri che il computer di bordo riconosceva come sicuri.

Al di fuori di questo, l’ignoto. È come se facessimo volare un Airbus senza prima aver effettuato alcun volo di collaudo o di verifica di carattere strutturale e aerodinamico nelle condizioni più critiche. Tante simulazioni al computer, questo si, ma non tutte con parametri certi.

Volo ipersonico
Ci stiamo avventurando in un settore dove le conoscenze tecnico-scientifiche oggi sono solamente all’inizio. C’è da esplorare una fascia, che va dai 50 ai 400 mila piedi (per leggere approssimativamente in metri basta dividere per tre), al momento attraversata solamente per i rari rientri da attività extra-atmosferiche. È questa che sta diventando sempre più zona di confronto tra vari tipi di dimostratori (Space-X, Space Ship One, Linx, X-37B, C , X-51, Htv-2 ecc.), gestiti da istituzioni statuali o anche da iniziative private.

È un nuovo scenario, che include interessi industriali e commerciali, ma anche di sicurezza e difesa. È noto che l’Usaf, ad esempio, da tempo ha iniziato a strutturarsi attorno ad una logica di futura acquisizione di capacità di Aerospace Operations, gestendo in proprio il filone dello sviluppo di speciali tecnologie per il rientro atmosferico dallo spazio o dal volo ipersonico suborbitale. Il programma Htv-2 (Hypersonic Technology Vehicle) è stato creato espressamente per questo.

Prima di parlare delle possibili applicazioni civili, è bene soffermarsi ancora un po’ su quelle militari, da cui poi deriveranno le tecnologie di base generali. A parte il caso particolare dei rientri dallo Spazio, per raggiungere velocità superiori a cinque volte quella del suono con motori “air breathing” (atmosferici) occorre ovviamente volare dove l’aria è rarefatta (poca resistenza), ma ancora sufficiente per alimentare la combustione. Ciò presumibilmente può avvenire utilizzando autoreattori o statoreattori (a compressione aerodinamica, che non necessitano di turbina) a quote variabili tra i 100 mila e i 150 mila piedi.

La Boeing, assieme all’Air Force Research Laboratori della base sperimentale di Wright-Patterson, ha costruito quattro prototipi del dimostratore X-51 A, di cui il primo – andato perduto dopo essere stato lanciato in quota da un B.52 – ha comunque raggiunto l’obiettivo di entrare stabilmente in volo ipersonico, trasmettendo a terra tutti i dati termo-aerodinamici e cinematici necessari per proseguire lo sviluppo. Il requisito dell’Usaf è volto al collaudo di tecnologie innovative da impiegare su un potenziale velivolo con pilota a bordo in grado – entro il 2035 – di raggiungere in due ore, volando a 10 volte la velocità del suono, qualsiasi località del Globo.

Applicazioni in ambito civile
Va detto, innanzitutto, che questo tipo di applicazioni ha un senso solamente se si ha in mente un futuro sviluppo del trasporto passeggeri. Infatti, per il rientro da attività extra-atmosferiche ci sono già le capsule tipo Soyuz o i futuri derivati dallo Shuttle e per colpire obiettivi puntuali in qualsiasi parte del mondo esistono i missili balistici. Ma si tratta pur sempre di vettori e di concetti operativi non adattabili, per loro natura, al trasporto ipersonico di passeggeri civili.

Per permettere questo occorre “qualcosa” che voli molto più in alto e molto più veloce del vecchio Concorde, circa dieci volte, cui deve tuttavia essere abbastanza simile per operare con il medesimo concetto operativo. Vale a dire decollare da una pista come un aereo, salire alla quota di trasferimento e accelerare con speciali apparecchiature ausiliarie, mantenere poi la navigazione ipersonica propulso da statoreattori (ramjet o scramjet) e, di nuovo, scendere ed atterrare come un normale velivolo.

Anche qui, le problematiche principali sono collegate al comportamento aerodinamico in flusso ipersonico, alla compatibilità termica dei materiali e alla tollerabilità umana del fattore di carico. Problemi, questi, oggi solo in parte risolti. Ma il trasporto aereo transcontinentale di passeggeri è visto dagli scienziati come il futuro fruitore del volo ipersonico suborbitale, con parametri di quota intorno ai 300 mila piedi ed una velocità di circa 20 volte quella del suono. Molto alta, ma ancora abbastanza bassa da impedire a questo aereo tutto particolare di entrare in orbita.

Con questa velocità – si tratta di poco più di sette chilometri al secondo – basterebbero 20 minuti per viaggiare da Roma a New York in volo suborbitale, cui andrebbero aggiunti un’altra ventina di minuti per le procedure di inserimento in traiettoria e per quelle di atterraggio. Un po’ più in alto degli aerei ed un po’ più in basso della Stazione spaziale: è in questa fascia, regno dell’ipersonico, che si giocherà il destino del trasporto intercontinentale.

Non è fantascienza, come potrebbe sembrare. Le tecnologie sono a buon punto, ma mancano ancora due tasselli fondamentali: il completamento sperimentale dello studio aerotermodinamico e la realizzazione di un propulsore idoneo ad un’accelerazione progressiva, che non disturbi troppo, fino al fatidico Mach 20.

Puzzle da sviluppare
Secondo il colonnello Roberto Vittori, astronauta dell’Esa e pilota sperimentatore dell’A.M. che di rientri atmosferici ipersonici se ne intende – non solo per averli sperimentati di persona tre volte (Soyuz e Shuttle), ma anche per essere stato uno degli esperti della Commissione di inchiesta della Nasa per l’incidente dello shuttle Columbia – il volo del futuro è come un puzzle già da tempo concepito, ma le cui tessere solo oggi si stanno rendendo disponibili.

Non è cosa della nostra generazione, ma i giovani ingegneri che popolano il mondo universitario e dell’industria avranno certamente il privilegio di sviluppare le ultime tappe di questo cammino, se così sarà deciso. Qui in Italia c’è già una prima presa di coscienza, nella consapevolezza che il contributo di sviluppo conoscitivo ed intellettuale che possiamo fornire non è affatto di secondo piano.

Ne sono testimonianza alcune attività affini dell’Agenzia spaziale italiana, dell’Università “La Sapienza”di Roma, le sperimentazioni in atto presso la galleria ipersonica del Centro italiano di ricerche aerospaziali di Capua – unica al mondo per tecnologia e durata del flusso – e lo stesso interesse concettuale offerto dagli ingegneri, i medici ed i piloti sperimentatori dall’Aeronautica militare.

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