Come nasce il termine Ipersonico

I primi voli ipersonici registrati da strumenti scientifici risalgono ai test condotti dagli ingegneri americani dopo la seconda guerra mondiale sul materiale missilistico confiscato a Peenemünde [1], consegnato dagli scienziati tedeschi che per primi avevano studiato l’uso bellico dei missili a lunga gittata sotto la guida di personalità come Wernher von Braun, nel febbraio del 1949. Lo sviluppo dei programmi missilistici sovietico e americano ha portato gli ingegneri a confrontarsi con problemi nuovissimi, soprattutto in vista dell’esplorazione umana dello spazio in prossimità della superficie terrestre [2]. Il primo uomo a sperimentare il volo ipersonico, durante l’immissione in orbita del suo veicolo e il successivo rientro in atmosfera, è stato infatti Yuri Gagarin, il 12 aprile 1961, a bordo della sua Vostok I. Probabilmente, il miglior esempio di veicolo ipersonico che possiamo citare in questo articolo è l’X-15, il primo velivolo ipersonico pilotato mai costruito e testato proprio per esplorare questo regime aerodinamico [3]. Anche Neil Armstrong, tra gli altri, partecipò a questo programma come pilota sperimentatore. Le origini del termine “Ipersonico” [4]—che combina il prefisso greco hyper (oltre)e il termine latino sonus (suono)—vanno ricercate negli studi pubblicati dall’aerodinamico cinese Hsue-Shen Tsien (conosciuto anche come Xuesen Qian), uno straordinario studioso che completò il suo dottorato sotto la supervisione di un altro gigante della storia dell’ingegneria aerospaziale, Theodore von Kármán. Negli anni cinquanta del Novecento, insieme ad altri studiosi di spicco come H. Julian Allen, vennero condotti numerosissimi test per lo studio dei regimi supersonici e della fisica delle onde d’urto, sotto la direzione della National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), che di lì a poco, nel 1957, sarebbe diventata la National Aeronautics and Space Administration, l’odierna NASA. La progettazione di velivoli da caccia come l’F-104 e il programma missilistico  statunitense Redstone—ovvero il primo missile balistico a lungo raggio americano—richiedevano urgentemente lo studio di questi fenomeni fisici [5]. Allen fu il primo, ad esempio, a studiare la forma ottimale dei veicoli per il rientro atmosferico, scoprendo come essa sia dettata più da esigenze di dissipazione rapida ed efficiente del calore che da considerazioni legate alla forma aerodinamica dell’oggetto in sé. Dal 1950 in poi moltissimi oggetti costruiti dall’uomo, pilotati in remoto o con esseri umani a bordo, hanno compiuto missioni di volo durante le quali, per intervalli di tempo più o meno lunghi, il regime aerodinamico da fronteggiare era proprio quello ipersonico [6]. Ma cosa sta ad indicare specificamente questo termine?

La classificazione dei regimi di moto

Vale la pena capire innanzitutto come gli ingegneri aerospaziali che si occupano di aerodinamica suddividano i vari regimi di volo sulla base della velocità dell’oggetto considerato e di una particolare proprietà termofluidodinamica del mezzo in cui il corpo si muove, ovvero la velocità del suono. Quest’ultima è infatti  una proprietà locale del fluido: cambia principalmente con la temperatura, secondo leggi funzionali studiate prima da Newton e poi da Laplace. Dobbiamo immaginare che intorno al nostro corpo, il cui baricentro si muove con una certa velocità, si crei un campo di moto in cui, punto per punto, la velocità può cambiare, insieme alle altre quantità termofluidodinamiche, come pressione, temperatura e densità. Pertanto, dobbiamo concludere che il numero di Mach, definito come il rapporto tra la velocità valutata in un punto del campo di moto e la corrispondente velocità del suono valutata sempre in quel punto, è anch'esso una proprietà locale! Forse vale la pena riportare una piccola formula per fare chiarezza:
 M = Va

dove V è la velocità nel campo di moto e a è la velocità del suono locale, mentre le coordinate del punto e la dipendenza dalla temperatura vengono omesse per chiarezza. Questa formula nasconde molto e non è di facile lettura, nonostante la sua semplicità. Essa fa parte di tutta una serie di numeri adimensionali, fondamentali per caratterizzare e descrivere le possibili configurazioni dei campi di moto aerodinamici. Come possiamo usarla per categorizzare i regimi di moto? Ebbene:

·         Solitamente, un valore del numero di Mach inferiore a 1 ci indica che in nessun punto del campo di moto la velocità del flusso ha superato la velocità del suono.

·         Se invece rileviamo che in uno o più punti del campo di moto il numero di Mach è maggiore di 1, ci troviamo in una situazione particolare, in cui osserviamo una sacca di moto supersonico all’interno di un campo di moto subsonico. In questi regimi di moto le onde d’urto sono presenti, ma spesso sono instabili e tendono a causare vibrazioni problematiche o concentrazioni di carichi nelle zone del campo di moto dove la velocità è molto alta e la pressione è molto bassa. Tuttavia, in condizioni di crociera, le onde d’urto possono apparire stabili, spesso sul dorso dell’ala; con le condizioni ottiche giuste, che di solito si verificano all’alba o al tramonto, una persona può “vedere” questi fenomeni dall’interno del velivolo! Questo regime, detto transonico, è quello tipico dei voli commerciali che ogni giorno ci portano in giro per il mondo.

·         Quando dappertutto nel campo di moto vediamo numeri di Mach maggiori di 1, possiamo dire di trovarci in un regime di moto supersonico. Questi sono regimi di moto tipici del Concorde, ormai non più operativo, e dei caccia militari. In questi regimi di moto si osserva il predominio dell’onda d’urto, caratteristica di tutti i flussi prevalentemente supersonici ed ipersonici.

A questo punto è bene precisare alcune cose. Consideriamo ad esempio il Concorde: volava in crociera a un numero di Mach prossimo a 2 (prendendo la velocità del suono alla quota operativa del velivolo e la velocità del suo baricentro, e calcolandone il rapporto, si ottiene quel numero). Possiamo dire, quindi, che il Concorde volava a poco più di due volte la velocità del suono, in pieno regime supersonico; questo regime di volo comportava già enormi sfide ingegneristiche, legate ad esempio al riscaldamento aerodinamico delle superfici bagnate del velivolo. Ai passeggeri era vietato toccare i finestrini interni degli oblò dell’abitacolo per evitare il rischio di ustionarsi, e spesso i piloti appoggiavano i loro pasti vicino ai finestrini laterali della cabina di pilotaggio per tenerli caldi . In vari punti della superficie esposta del Concorde, infatti, le temperature potevano superare facilmente i 110 gradi Celsius in quelle condizioni di volo.

 A partire dal regime supersonico, bisogna aumentare molto la velocità di volo per cominciare a osservare cambiamenti sempre più significativi al crescere di V , e purtroppo non esiste una soglia precisa a cui fare riferimento. Gli studi condotti, sia durante i test di volo sia durante le prove in galleria del vento, hanno individuato una soglia orientativa: quando il numero di Mach è maggiore o uguale a 5, il regime di volo può essere considerato ipersonico. Ma come mai questa soglia? Quali cambiamenti osserviamo nel fluido e nel campo di moto? Sfortunatamente, la risposta a queste domande è meno eccitante di quanto si potrebbe immaginare: semplicemente, da quel numero di Mach in poi alcuni fenomeni diventano progressivamente più importanti di altri e dominano il comportamento stesso del campo di moto e le caratteristiche fisiche del fluido. Vediamo di sintetizzarli e spiegarli, per quanto possibile.

La fisica dei flussi ipersonici

Per prima cosa, nei flussi ipersonici si osserva un'inclinazione straordinariamente elevata delle onde d'urto, che diventano al contempo estremamente sottili. Un’onda d’urto può essere pensata come un meccanismo, una sorta di macchina a fluido il cui obiettivo è “avvisare” la corrente che sta arrivando un corpo a grandissima velocità—informazione che non può risalire a monte della corrente, come normalmente avviene visto che ci si sta muovendo più veloce del suono. Il flusso di gas che deve ancora lambire il corpo dovrà quindi deviare quando lo incontrerà, al prezzo di un’improvvisa e violenta compressione, rallentandone lo scorrimento e cambiandone la traiettoria. Più il flusso si muove rapidamente, più intense dovranno essere la compressione e la deviazione imposte a esso durante il passaggio attraverso l’onda d’urto, immaginandola fissata al bordo d’attacco—la zona che per prima incontra il fluido—di un’ala o alla punta di un missile. Potete ben immaginare che, in un flusso ipersonico, la questione diventi rapidamente estrema: gli angoli si fanno piccolissimi, prossimi ai 15 gradi. Con angoli tanto estremi e spessori così ridotti, le onde d’urto, in un campo di moto ipersonico, si trovano a “vivere” vicinissime alla superficie del corpo, rischiando continuamente di interagire con lo strato limite, la porzione di fluido a diretto contatto con la superficie bagnata del corpo stesso. Non approfondiremo il concetto di strato limite, ma basti sapere che parliamo di spessori misurabili o calcolabili inferiori a un millimetro nelle zone prossime al bordo d’attacco. Questo genera un’intera serie di problemi, come la coalescenza di varie onde d’urto, l’accumulo di sollecitazioni termiche in una zona estremamente ristretta del campo di moto, e separazioni del flusso pericolose per le superfici aerodinamiche, dato che il gas a quelle velocità e temperature—mediamente superiori a 1500 gradi Celsius—diventa un plasma composto dai specie chimiche dissociate e reattive, potenzialmente corrosive ed elettricamente non neutre, che, se deviate in massa verso una particolare parte del velivolo non progettata per incassare questa energia, possono vaporizzarla. Per avere un termine di paragone, le onde d’urto diventano potentissimi “laser gasdinamici”. Non è certo l’ideale se queste onde vanno a collocarsi in prossimità di superfici aerodinamiche pensate per la stabilità e il controllo del velivolo.

Queste caratteristiche hanno anche un altro effetto, con ripercussioni rilevanti sul  comportamento del flusso aerodinamico, legato ad una grandezza termodinamica: l’entropia. Esiste infatti un interessante e fondamentale teorema che lega le variazioni di entropia alle interazioni vorticose nel flusso, attribuito al generale Luigi Crocco, uno dei pionieri dell’ingegneria aerospaziale italiana, che collaborò con von Kármán proprio negli anni cinquanta del Novecento. Nell’attraversare un’onda d’urto così violenta come quelle che incontriamo nei flussi ipersonici, il fluido vede cambiare tutte le sue proprietà termodinamiche, inclusa l’entropia, che aumenta vertiginosamente; questi aumenti così rapidi e smisurati di entropia hanno la conseguenza di “attorcigliare” in maniera irrimediabile tutte le linee di scorrimento del fluido, per via del legame individuato da Crocco tra entropia e vorticità. Questo rende i flussi ipersonici capaci di scaricare quantità enormi di energia termica e meccanica in pochissimi secondi in zone difficili da prevedere del campo di moto, anche per via di questa fortissima vorticità, una grandezza direttamente connessa alla presenza del fenomeno della turbolenza.

Ed arriviamo ad un’altra caratteristica incredibile dei flussi ipersonici. Per via di tutto quello che abbiamo sin qui descritto, i flussi ipersonici sono dominati da un aumento vertiginoso delle temperature. Queste, a causa della dissipazione di ingenti quantità di energia cinetica, sia tramite attrito puro sia tramite le onde d’urto, aumentano a tal punto da provocare la dissociazione delle molecole presenti nel fluido, liberando diverse specie chimiche come ossigeno non molecolare, azoto non molecolare, e molte altre; la presenza di gas chimicamente attivi e reattivi induce fortissimi cambiamenti nel modo in cui si distribuiscono le pressioni e gli sforzi di taglio su tutta la superficie bagnata del corpo. In queste condizioni cambiano le proprietà viscose dell’aria, e si riduce la densità poiché la pressione, in direzione normale alla superficie del corpo, rimane pressoché costante. Questo causa l'ispessimento dello strato limite, con la conseguenza di deformare tutto il campo di moto, anche nelle zone dove la viscosità non avrebbe, in condizioni normali, avuto impatti significativi. Questa intrinseca interazione tra zone del campo di moto non viscose e zone del campo più vicine o all’interno dello strato limite viene detta appunto “interazione viscosa”, ed è uno dei motivi per cui è molto difficile prevedere le distribuzioni di pressione, i carichi termici e, in generale, tutti i parametri di interesse per il progetto di veicoli ipersonici. Questo semplice fatto, unito alle temperature altissime e all'elevata reattività delle specie chimiche separate nel plasma, rende arduo calcolare e stimare i profili di volo per velivoli come lo Space Shuttle durante il rientro atmosferico: risulta difficile rispondere a domande come “Di quanto deve deflettere i flap il pilota per poter volare in condizioni equilibrate durante la discesa?”, poiché i modelli predittivi diventano non solo difficili da applicare, ma anche complicati da formulare . I flussi di calore radiativi hanno un impatto significativo sulla progettazione di veicoli spaziali, soprattutto per missioni lunari o interplanetarie, determinando la loro forma esterna. Per capirci, il fluido non trasmette il calore al corpo solo per conduzione e convezione, ma è talmente caldo da “illuminare” per irraggiamento la superficie del corpo, e questo meccanismo rappresenta la modalità dominante con cui avvengono i trasferimenti di calore nei regimi di moto ipersonici.

Come se non bastasse, il plasma chimicamente ed elettricamente non neutro che circonda il corpo nei flussi ipersonici lo isola dai segnali elettromagnetici; questo è il famoso “atmospheric reentry blackout” sperimentato da tutte le capsule di rientro spaziali con umani a bordo, quel periodo in cui le comunicazioni con gli astronauti sono di fatto impossibili.

Conclusioni

Possiamo concludere questo lungo percorso affermando che, in generale, un flusso è considerabile “ipersonico” se tutti gli aspetti descritti in questo articolo si manifestano contemporaneamente in esso. Nella storia del volo e dell’esplorazione spaziale umana, moltissimi veicoli hanno dovuto confrontarsi con i pericoli e le sfide del volo in regime ipersonico, con fallimenti scioccanti, come l’esplosione durante il rientro dell’orbiter denominato Columbia nel 2003. L’incidente, dovuto alla  presenza di aperture nello scudo termico esterno del veicolo — un danno verificatosi durante il decollo ed impossibile da riparare per l’equipaggio — è la dimostrazione di quanto letale possa essere il plasma che circonda i veicoli che viaggiano in regime ipersonico. Molti ingegneri sono oggi al lavoro per rendere questo regime di volo accessibile ai voli commerciali, dapprima per il trasporto di merci e in seguito per lo spostamento di passeggeri su tratte a lunga percorrenza, riducendo i tempi di volo da dieci ore a poco più di una. Tuttavia, le applicazioni più moderne riguardano il campo delle tecnologie militari; non parliamo dei missili balistici, che raggiungono simili velocità per la combinazione della loro energia cinetica e potenziale, muovendosi lungo traiettorie suborbitali. L’interesse principale sta nel costruire munizioni manovrabili con capacità di crociera, capaci di volare a velocità ipersoniche; va detto che nel passato la maggior parte dei progetti, militari e civili, volti a creare oggetti del genere ha dovuto cedere alla realtà dei fatti: al momento le tecnologie propulsive e dei materiali,  insieme alle strategie di controllo della dinamica, non riescono ancora a soddisfare i requisiti necessari ad operare un missile o un drone con capacità di manovra in regime ipersonico. I test che la NASA ha portato a compimento sono un primo passo, come nel caso del veicolo sperimentale X-43 [7] [8], ma la strada per sfruttare il volo ipersonico in atmosfera è ancora decisamente lunga. Va comunque detto che oggi lo studio e la ricerca in questo campo beneficiano di un cospicuo aumento di fondi, spinto dalle capacità, presunte o reali, delle armi ipersoniche russe e cinesi; non è oggi del tutto chiaro se questi investimenti siano giustificati da minacce concrete. Anche se gli avanzamenti in questo campo avranno importanti ricadute su settori industriali non militari, è necessario che ai cittadini venga chiarito che tipo di ritorno tecnologico ci si aspetta e quale vantaggio si può avere in ambito militare, sia in termini di attacco sia di difesa antimissile. Le applicazioni pratiche del volo ipersonico, tuttavia, rappresentano ancora oggi la frontiera della ricerca aerospaziale, e gran parte del sapere e delle tecnologie necessarie per progettare veicoli ipersonici sicuri e affidabili per l’aviazione commerciale non è ancora disponibile ai progettisti.