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Storia e sviluppo dei motori Ramjet dalla seconda guerra mondiale al presente
Lo sviluppo dei motori a getto di ram rappresenta un punto di riferimento della propulsione aerospaziale ad alta velocità. A differenza dei turbojet o dei razzi, i ramjet non hanno parti in movimento, né compressori, né turbine, ma si affidano interamente alla velocità del veicolo per comprimere l'aria in arrivo prima di mescolarla con il carburante e accenderla.
Origini e primi concetti
Nel 1913 l'inventore francese René Lorin brevettò un progetto per un "dotto propulsivo" che usò il moto del veicolo per comprimere l'aria. Tuttavia, il concetto di Lorin non poteva essere realizzato all'epoca perché nessun velivolo poteva raggiungere le velocità necessarie, di solito sopra Mach 0.5, per il motore a funzionare. L'idea rimase dormiente per anni.
I primi tentativi gravi di costruire un ramjet funzionante sono arrivati negli anni '30. Nell'Unione Sovietica, l'ingegnere Mikhail Bondaryuk ha sviluppato il GIRD-08, un ramjet a liquido testato su un ramjet a slitta nel 1939.
La necessità di armi ad alta velocità e a lungo raggio spinse gli ingegneri in Germania, nel Regno Unito e negli Stati Uniti a trasformare i progetti teorici in hardware pratico. Il tedesco Fieseler Fi 103 (più noto come V-1 bomba volante) ha usato un impulso, non un vero e proprio ramjet, ma l'esperienza operativa con il getto d'aereo più semplice.
Sviluppo durante e dopo la seconda guerra mondiale
Contributi britannici
Il Regno Unito ha fatto alcuni dei più significativi progressi iniziali. Il Royal Aircraft Stabiliment (RAE) e Metropolitan-Vickers hanno collaborato allo standard Metropolitan-Vickers F.2/40, un ramjet destinato a caccia di potenza ad altitudini estreme.
Progresso americano
La stazione navale di China Lake ha iniziato a testare il KAN (Kaiser-North American) ramjet nel 1944. Dopo la guerra, ha catturato documenti e scienziati tedeschi, in particolare il Dr. Adolf Busemann, che aveva lavorato su intakes supersonic al DVL Curtis, ha dato alla ricerca americana un impulso importante 2.5.
L'era post-guerra: i Ramjet entrano in servizio
Nel 1950, la tecnologia ramjet era abbastanza maturata per l'implementazione operativa. Il British Blue Steel] missile, un'arma di stallo armata nucleare trasportata da V-bombers, ha usato un Bristol Siddeley ] BS605 motore di supporto ramjet dopo l'aumento a Mach 2.5.
Avanzamenti tecnologici: dai Ramjet agli Scramjet
Sfide di combustione
In un ramjet a combustione subsonica, l'aria che entra nell'aspirazione deve essere rallentata a velocità subsoniche prima di entrare nella camera di combustione. Questa decelerazione crea onde d'urto e perdite di pressione che limitano l'efficienza. Gli ingegneri hanno speso decenni per raffinare geometrie di assunzione, utilizzando rampe di compressione, ingressi affilati e perdite di geometria variabile.
Sistemi di combustibile e gestione termica
Il primo ramjet utilizzato il cherosene standard (JP-4 o JP-5), ma il volo ad alta velocità genera calore intenso. A Mach 3 e sopra, l'airframe e il motore diventano così caldo che il combustibile convenzionale può decomporre o causare coking nelle linee di combustibile. Questo ha portato allo sviluppo di combustibili endotermici che assorbiscono il calore attraverso la cracking chimico
Il passaggio del getto di sram
Il prossimo grande salto è stato realizzato con il getto di vapore (ramjet a combustione supersonica). In un getto di schiuma, il flusso d'aria rimane supersonica in tutto il motore, eliminando la necessità di un diffusore subsonico e riducendo la resistenza. Il concetto è stato proposto per la prima volta negli anni '60, ma la realizzazione pratica è risultata straordinariamente difficile.
Il progetto NASA X-43A[[]], volato nel 2004, è stato il primo aeromobile a realizzare un volo sostenuto con un getto di schiuma, raggiungendo Mach 9.6 sul suo terzo e ultimo volo.
Materiali e protezione termica
I primi ramjet utilizzati per le sovrapposizioni meccaniche a base di nichel come Inconel X-750.
Applicazioni di giorno
Sistemi missilistici militari
I motori Ramjet continuano a alimentare alcuni dei sistemi missilistici più avanzati del mondo. Il MBDA Meteor, un missile aria-aria ad alta gamma ad alta velocità usato da diverse forze aeree della NATO, integra un razzo a flusso variabile (un tipo di ramjet) che permette di mantenere la spinta durante le manovre ad alto livello in cui i razzi convenzionali avrebbero bruciato la fase.
Il sistema di difesa missilistica [FLT: 1] usa il RIM-161 Standard Missile 3 (SM-3) con un motore a razzo a doppia spinta, ma il suo successore, il SM-6], incorpora un supporto a getto di ramjet per lo sviluppo di lunga distanza e cinematica US Navy
Veicoli di ricerca ipersonici
Il programma di ricerca è stato un primo candidato per la propulsione a getto di raggi in un piano spaziale. Oggi, il DARPA Falcon programma e il Lockheed Martin SR-72
Nel settore civile, la collaborazione Australian-UK sul motore SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) ha un approccio diverso, combinando un pre-cooler con un ciclo simile a un ramjet per operare da zero a Mach 5.4 prima di passare alla modalità missilistica per l'accesso allo spazio.
Prospettive future
Trasporto ipernico
La più ambiziosa applicazione futura per la tecnologia ramjet e massamjet è il trasporto ipersonico punto-punto. Aziende come Hermeus e Venus Aerospace stanno sviluppando concetti di aeromobili che avrebbero usato ibridi turbo-ramjet per trasportare i passeggeri attraverso l'Atlantico in meno di due ore.
Accesso allo spazio
Con l'uso di ossigeno atmosferico durante la prima salita, un primo stadio ipersonico potrebbe evitare di trasportare carri armati pesanti, potenzialmente raddoppiando la capacità di carico. Reaction Engines Skylon] concetto (utilizzando il motore SABRE) è l'esempio più noto, ma studi simili sono stati condotti da
Difesa e Deterrenza
I concorrenti tra cui Cina e Russia stanno sviluppando veicoli ipersonici e missili da crociera che si basano sulla propulsione a getto di raggi [FLT]] [FLT:]
Mantenere gli ostacoli tecnici
Il volo ipersonico prolungato produce temperature superiori a 2.500°C ai bordi principali, che richiedono raffreddamento attivo o ablazione. L'iniezione e la miscelazione del carburante devono essere controllati con precisione per evitare il fuoco o l'avviamento non (una condizione in cui il sistema di scossa si disloca e il motore si ferma a comprimere l'aria).
La strada sulla fronte
La storia del ramjet è un testamento di come un'idea semplice – l'aria compressa si muove abbastanza velocemente – possa evolversi in una tecnologia con profonde implicazioni per la guerra, il trasporto e l'esplorazione spaziale. Dai prototipi grezzi montati a slitta degli anni '30 al volo Mach 9.6 della X-43A, ogni generazione ha migliorato l'efficienza, l'affidabilità e la velocità.
Per ulteriori informazioni sui fondamenti a getto di raggi, ]Smithsonian Institution[] fornisce un'eccellente panoramica storica dello sviluppo del razzo e del ramjet.]American Institute of Aeronautics and Astronautics Flights (AIAA)]] pubblica dettagliati documenti tecnici sulla combustione e la gestione termica del volo.
Il ramjet può essere uno dei più semplici concetti di motore aeronautico mai concepiti, ma la sua realizzazione ha richiesto alcuni dei più sofisticati ingegneri mai intrapresi. Come volo ad alta velocità diventa una priorità strategica e commerciale, il lavoro iniziato negli anni '40 continuerà a produrre risultati che una volta erano confinati al regno della fantascienza.