Studi di casi di successo Dimostrazioni di volo alimentate a getto

Introduzione alla tecnologia Ramjet

I motori a getto d'aria rappresentano una delle forme più semplici ed eleganti di propulsione a respirazione dell'aria. A differenza dei turbogeli tradizionali o dei turbofan, un ramjet non ha lama di compressione rotante o turbine. Invece, si basa interamente sul movimento in avanti del veicolo per comprimere l'aria in entrata attraverso un diffusore di accelerazione con una forma accurata.

I Ramjet sono più efficaci nella gamma Mach 3 a Mach 6, dove offrono un impulso specifico significativamente più elevato rispetto ai motori a razzo perché non portano l'ossidante a bordo. Questo vantaggio di efficienza li rende ideali per missili a lunga distanza, ad alta velocità, veicoli di ricerca ipersonici e potenziali sistemi di lancio a velocità d'aria futuri.

I primi sforzi negli Stati Uniti, Russia e Francia hanno gettato le basi per le sofisticate dimostrazioni che hanno seguito.Analizzando queste dimostrazioni di volo di successo, gli ingegneri hanno acquisito intuizioni critiche nel design delle entrate, nella gestione termica, nel comportamento dei materiali e nella stabilità della combustione ad alta velocità.

Dimostrazioni di volo notevoli

Programma X-43A Hyper-X della NASA

Sviluppato sotto il programma Hyper-X della NASA, il veicolo X-43A era un piccolo veicolo di prova senza equipaggio progettato per dimostrare la fattibilità della propulsione a getto di gomma a velocità ipersoniche. Il veicolo era attaccato ad un booster a razzo solido Pegasus modificato, che lo ha accelerato alla velocità e all'altitudine necessaria prima che il segmento di volo a getto di esame prendesse un breve.

Il 27 marzo 2004, durante il suo terzo volo, ha fatto la storia del volo X-43A, dopo aver separato dal B-52 vettoriale aereo sull'Oceano Pacifico, il booster Pegasus ha sparato per portare il veicolo ad un'altitudine di circa 95.000 piedi e una velocità di Mach 7. Il motore a getto di gomma ha poi acceso, bruciando una miscela di carburante per circa 10 secondi.

I risultati tecnici principali della X-43A includono l'uso di un design integrato per l'airframe, dove l'intera fusoliera inferiore ha agito come l'ingresso e l'ugello. La piccola dimensione del veicolo, lunga solo 12 piedi con un'apertura alare di 5 piedi, ha portato alla sfida ingegneristica di contenere e controllare la combustione supersonica a temperature estreme.

X-51A Waverider – Combustione Supersononica in un veicolo pratico-sizzato

Mentre la X-43A ha dimostrato la fisica fondamentale della propulsione a getto di vapore, la X-51A Waverider ha voluto dimostrare un funzionamento sostenuto in un motore più rappresentativo e idrocarbonato. Sviluppato dal Laboratorio di Ricerca dell'Aeronautica (AFRL), DARPA, NASA e Boeing, la X-51A ha usato il carburante a getto JP-7, un idrocarbonio termomente stabile, oltre all'idrogeno.

Il primo volo del 26 maggio 2010 è stato un parziale successo: il getto di gomma acceso e gestito per circa 140 secondi, accelerando da Mach 4.8 a Mach 5.0, ma poi ha perso la spinta a causa di un guasto di tenuta. Il secondo volo del giugno 2011 è fallito quando il veicolo non poteva passare da un booster di razzo a modalità di scagliamento.

L'X-51A ha dimostrato che un getto di vapore idrocarburo potrebbe produrre una spinta netta positiva su una durata prolungata, una pietra miliare critica per le applicazioni di armi. Il motore ha usato un design a doppio getto di ramjet/scramjet (DMRJ), il che significa che ha funzionato come un ramjet durante la fase iniziale di accelerazione e ha transizione alla modalità di massapjet come velocità aumentate.

SAFRAN Magnetoidrodinamica (MHD) Ramjet Demonstration

SAFRAN è da decenni leader nella tecnologia a getto di raggi, in particolare per i missili come l'ASMP (Air-Sol Moyenne Portée), nel 2015, SAFRAN ha annunciato una dimostrazione di successo di un nuovo concetto di gas a combustione magnetica (MHD) che accelera i flussi di gas convenzionali e i getti di scarico, che si basano esclusivamente su una compressione aerodinamica e sulle dinamiche di combustione, il MHD ram

La dimostrazione MHD di SAFRAN è stata condotta in un impianto di prova dedicato in Francia. Sebbene non sia un vero test di volo, è stata eseguita a terra con un generatore di flusso ad alta velocità, il test è stato progettato per rappresentare condizioni equivalenti al volo Mach 6. La sezione MHD è stata posizionata dopo il combustor, che funge da ugello elettromagnetico.

La ricerca MHD ramjet di SAFRAN ha implicazioni per i futuri missili ad alta velocità e gli aerei. Utilizzando campi magnetici, il motore può operare su una gamma di velocità più ampia, perché lo stadio MHD può compensare la compressione ridotta del ram a velocità più basse. Questo concetto potrebbe portare a un sistema a raggi a ciclo variabile che funziona da Mach 3 ad almeno Mach 8 senza la necessità di complesse modifiche di geometria meccanica.

Programma HiFIRE – Ricerca Internazionale di Volo Scramjet

Il programma di sperimentazione internazionale di ricerca di volo (HiFIRE), una collaborazione tra il Laboratorio di ricerca dell'aviazione statunitense e il Gruppo di scienza e tecnologia della difesa australiana (DSTG), ha condotto una serie di voli di razzo che suonano tra il 2006 e il 2018.

Uno dei voli più significativi è stato HiFIRE 1 nel 2009. Un razzo Terrier-Orion a due stadi ha aumentato un carico utile contenente un motore a getto di UQ (Università del Queensland) a Mach 8 a 30 km di altitudine. Il motore ha operato per circa 6 secondi, con la combustione supersonica del combustibile idrogeno. L'esperimento ha confermato il comportamento di un ingresso di transizione a forma rettangolare-ellittica e ha fornito dati dinativi

Il valore del programma HiFIRE è nel suo approccio sistematico: ogni volo ha testato una specifica ipotesi scientifica sul funzionamento del massamjet, come la stabilizzazione della combustione, la miscelazione dell’aria combustibile ad alta velocità e i carichi termici. I dati dei voli HiFIRE hanno informato direttamente la progettazione di più grandi programmi ipersonici statunitensi come il Tactical Boost Glide (TBG) e l’Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC).

HyFly di Boeing – una dimostrazione a doppio combustibile Ramjet

A partire dai primi anni 2000, DARPA, in collaborazione con Boeing e l’Ufficio di Ricerca Navale, perseguì il programma HyFly (Hypersonic Flight Demonstration) e HyFly utilizzò un unico progetto a doppio combustibile a getto di ramjet (DCR), dove un generatore a gas separato produsse un gas caldo ricco di carburante che venne poi iniettato nella camera di combustione principale.

HyFly ha condotto due test di volo dalla Pacific Missile Range. Il primo nel 2007 è stato tagliato a causa di un malfunzionamento del booster. Il secondo test nel 2008 ha dimostrato con successo il motore DCR per circa 30 secondi a Mach 5.5, prima che un controllo guasto causasse la perdita del veicolo. Nonostante il volo incompleto, il test ha dimostrato che il concetto di DCR potrebbe produrre spinta positiva e fornire la base per un pratico, programma tattico-range iperionica di ipersonico.

Impatti e prospettive future

Le dimostrazioni di volo sopra descritte hanno costruito collettivamente una solida base di conoscenza per l’applicazione pratica della propulsione a getto di ramjet e a getto di massetto. L’X-43A ha dimostrato che un getto di getto a getto d’idrogeno potrebbe funzionare a velocità superiori a Mach 9 e sopravvivere all’estremo ambiente termico e aerodinamico.

Gli Stati Uniti stanno sviluppando l’Iperson Air-breathing Weapon Concept (HAWC), che utilizza un missile a getto di schiuma, capace di Mach 6 e superiore, con una gamma sufficiente per colpire obiettivi critici di tempo da distanze di stallo. L’Australia e il Regno Unito stanno collaborando al Southern Cross Integrated Flight Research Experiment (SCIFiRE), sfruttando i risultati della crociera

Il volo ipersonico prolungato richiede materiali che possono sopportare temperature superiori a 3.000 °F per periodi prolungati. Il raffreddamento attivo con combustibile come refrigerante è in fase di perfezionamento. Il design a getto d'ingresso deve ospitare ampie velocità, e la transizione tra fasi di impulso e di scramjet deve essere senza soluzione di continuità. I modelli computazionali continuano a migliorare, ma i test di volo rimangono lo strumento di validazione finale.

I motori ad aria ipersonico potrebbero consentire viaggi globali di punto in due ore, creare nuovi mercati per il lancio satellitare da aerei ipersonici, e cambiare drammaticamente la natura della guerra comprimendo tempi di fidanzamento. Le dimostrazioni di successo degli ultimi due decenni hanno trasformato la propulsione a getto e a getto di vapore da una curiosità di laboratorio in una tecnologia pronta per l’integrazione del sistema.

Conclusioni

I sistemi di ricerca di tipo "Sex-43A" della NASA, i sistemi di ricerca di tipo "Sex-51A", "MHD", "HyFIRE" e "HyFly" della Boeing illustrano i progressi costanti e cumulativi realizzati nella propulsione a getto di raggi e a getto di vapore.