L'ingegnere della NASA Laura O'Connor ispeziona un modello di motore supersonico ramjet (scramjet) al Langley Research Center di Hampton, Virginia. © Corbis Come può dirti chiunque abbia mai avuto la pancia in giù da un tuffo alto, quando colpisci un fluido senza dargli il tempo di togliersi di mezzo, tende a ribattere. I subacquei battono la fisica facendo un tuffo più snello, e le auto e gli aerei più veloci lo fanno sfoggiando forme più aerodinamiche. Ma arriva un punto, vicino alla barriera del suono, dove lo snellimento non è abbastanza - una velocità alla quale l'aria stessa che mantiene il tuo aereo in alto inizia a martellarti con una resistenza apparentemente insormontabile, turbolenze da brividi e onde d'urto brutali. Infatti, molti credevano che questa barriera del suono fosse indistruttibile finché, il 14 ottobre, 1947, Il Bell X-1 a razzo di Chuck Yeager ha dimostrato che si sbagliavano.
Ma cosa accadrebbe se potessi sfruttare tutta quell'aria accumulata a tuo vantaggio? Cosa succede se, invece di rimescolarlo con le eliche o bruciarlo con i razzi, potresti imballarlo in un tubo appositamente sagomato, pompalo con un'esplosione e spara con un ugello a velocità supersoniche, tutto senza grandi parti mobili? Avresti un tipo molto speciale di motore a reazione, un "tubo da stufa volante" adatto per tagliare il cielo a migliaia di miglia all'ora. avresti un ramjet .
Ma l'apparente semplicità del ramjet è ingannevole; ci vuole ingegneria aeronautica all'avanguardia, materiali moderni e produzione di precisione per realizzarne uno, il che spiega in parte perché un'idea antica quasi quanto il volo a motore è stata ripetutamente ripresa e messa da parte per decenni prima di ottenere un successo limitato durante la Guerra Fredda.
A differenza della sua principale competizione di velocità, il razzo, che brucia carburante utilizzando ossidanti a bordo come il nitrato di ammonio, clorato di potassio o clorato di ammonio, i ramjet respirano aria. Così, mentre i razzi possono operare nel quasi vuoto dello spazio, i ramjet devono volare attraverso l'atmosfera. Devono farlo a velocità molto elevate, anche - intorno a Mach 2.5-3.0, o tre volte la velocità del suono, perché i ramjet funzionano sfruttando pressione del pistone, la naturale compressione dell'aria provocata dall'alta velocità di un aereo. In altre parole, i ramjet si alleano proprio con le onde d'urto e le forze di compressione che un tempo si opponevano al volo ad alta velocità; vanno letteralmente con il flusso [fonti:Encyclopaedia Britannica; NASA].
I ramjet sono più efficienti su lunghe distanze rispetto ai razzi, ma hanno un notevole svantaggio:sono inutili a basse velocità. Di conseguenza, fanno affidamento su razzi booster o altri veicoli per aumentare la velocità. Gli aerei ramjet autonomi in genere utilizzano motori ibridi [fonte:NASA].
Se quella spiegazione ti è passata davanti a velocità supersonica, probabilmente è perché abbiamo saltato un sacco di cose interessanti e interessanti. Diamo un'occhiata a come si sono sviluppati i motori a reazione per produrre questa meraviglia moderna.
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Un cameraman con una telecamera ad alta velocità filma la fiamma del potenziatore di spinta di un motore ramjet I-40 al Lewis Flight Propulsion Laboratory di Cleveland. (Il laboratorio in seguito divenne noto come John Glenn Research Center.) © Corbis I getti funzionano con esplosioni controllate. Sembra strano finché non ti rendi conto che la maggior parte dei motori delle auto lo fa, anche:tirare in aria, comprimerlo, mescolalo con il carburante, accendilo e bang! Hai spinto un pistone. Ma mentre i motori a benzina e diesel comportano cicli o combustione intermittente , i getti comportano combustione continua, in cui il carburante e l'aria si mescolano e bruciano senza sosta. In entrambi i casi, bruciare più gomma significa consumare più gas, e questo significa aspirare più ossigeno per ottenere la miscela giusta. Le auto truccate lo fanno con i compressori; nei motori a reazione, è più complicato [fonte:Encyclopaedia Britannica].
Il primo aereo a reazione operativo è entrato in combattimento verso la fine della seconda guerra mondiale usando turbogetto motori, un design semplice ma geniale basato sul Brayton (o Joule ) Ciclo :Mentre l'aereo vola, flussi d'aria attraverso una presa in a diffusore , una camera che rallenta il flusso d'aria e inibisce le onde d'urto. Quindi passa attraverso una serie di dischi a lame:filatura rotori , che spingono indietro l'aria, e stazionario statori , che guidano il flusso d'aria. Insieme, agiscono come un compressore che pompa la pressione all'interno delle camere di combustione del getto. Là, il carburante si mescola con l'aria pressurizzata e si accende, temperature di brillamento nell'intervallo 1800-2800 F (980-1540 C) o superiore [fonti:Encyclopaedia Britannica; Krueger; Spakovszky].
La pressione aumenta con la temperatura, quindi questa esplosione crea molta forza senza nulla da fare se non cercare un'uscita rapida. Quando lo scarico spara attraverso l'ugello posteriore, genera una spinta per spostare l'aereo. In rotta verso questo ugello, lo scarico spara anche attraverso una turbina collegata ai rotori da un albero di torsione. Mentre la turbina gira, trasferisce energia alle pale anteriori del compressore, completando il ciclo.
In aeroplani con turboelica o elicotteri con turboalbero motori, le turbine trasferiscono anche potenza a un'elica o al rotore di un elicottero tramite una serie di ingranaggi.
I turboreattori hanno molta potenza ma faticano a basse velocità. Di conseguenza, negli anni Sessanta e Settanta, velivoli a basso supersonico hanno iniziato a orientarsi verso il turbofan che la maggior parte dei jet privati e degli aerei di linea commerciali utilizza ancora. Un turbofan è il turducken dei motori - essenzialmente un turbogetto avvolto in una cappotta più grande con una grande ventola schiaffeggiata sulla parte anteriore. Il ventilatore aspira più aria, che il motore poi divide in due flussi:parte dell'aria si muove attraverso il turbogetto annidato, mentre il resto scorre nello spazio vuoto che lo circonda. I due flussi si riuniscono quando l'aria più fredda reindirizzata si mescola con lo scarico del turbogetto e lo rallenta, creando un più grande, flusso di spinta più lento che è più efficiente a basse velocità [fonti:Encyclopaedia Britannica; Kruger].
Nel frattempo, nel periodo in cui i turbofan si sono affermati, la ricerca sugli aerei ramjet stava finalmente facendo il suo passo. Era stata una lunga strada.
PostbruciatoriAlcuni turboreattori e turbofan sono accoppiati con postbruciatori , che espellono più energia iniettando carburante nello scarico dopo che passa la turbina e riaccendendola. Questo processo, conosciuto anche come riscaldare , è inefficiente ma può aumentare la spinta del turbofan fino al 50 percento [fonti:Encyclopaedia Britannica; Pratt &Whitney]. I postbruciatori tornano utili durante il decollo o in condizioni sfavorevoli, condizioni di bassa velocità o bassa pressione. Si trovano principalmente negli aerei da combattimento supersonici, anche se il Concorde SST li ha usati anche al decollo [fonti:Encyclopaedia Britannica; NASA; Pratt &Whitney].
Chi ha detto che bisogna camminare prima di poter correre non ha mai incontrato il francese René Lorin. Ha visto le possibilità della propulsione a pressione d'ariete già nel 1913, quando i piloti volavano ancora aquiloni di legno glorificati. Consapevole dell'inutilità del design a velocità subsoniche, ha invece progettato una bomba volante assistita da ramjet. L'esercito francese gli ha fatto cenno di andarsene. ingegnere ungherese Albert Fono, un altro pioniere del ramjet, perseguì un'idea simile nel 1915 e ricevette un'accoglienza simile dall'esercito austro-ungarico [fonti:Gyorgy; Heiser e Pratt; Wolko].
I progetti di Ramjets hanno goduto di una breve voga tra le due guerre mondiali. Gli ingegneri sovietici fecero i primi passi avanti con i ramjet basati su razzi (vedere la sezione successiva), ma l'interesse si spense prima del 1940. L'occupazione tedesca interruppe i primi lavori dell'ingegnere francese René Leduc, ma la sua tenacia e segretezza hanno dato i suoi frutti il 21 aprile, 1949, quando il suo modello 010 ispirato a Lorin fece il suo primo volo a motore di un aereo a reazione. Trasportato in alto su un aereo di linea Languedoc 161, ha volato per 12 minuti e ha raggiunto 450 mph (724 km / h) a metà potenza [fonti:Siddiqi; Reparto; Wolko; Yust et al.].
E, per un po, quello era quello. Nonostante il successo di Leduc, la mancanza di fondi pose fine al sostegno ufficiale alla sua ricerca nel 1957 [fonti:Siddiqi; Reparto; Wolko; Yust et al.]. Il ramjet cominciava a sembrare un'invenzione senza applicazione. Nel frattempo, La seconda guerra mondiale aveva inaugurato la prima generazione di turboreattori operativi:il britannico Gloster Meteor, il tedesco Messerschmitt Me 262 e l'americano Lockheed F-80 Shooting Star [fonti:Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Britannica; Enciclopedia Britannica; Museo Nazionale dell'USAF; van Pelt].
Quando la guerra finì e la Guerra Fredda si surriscaldava, divenne chiaro che i turboreattori e i turbofan presentavano soluzioni subsoniche e a bassa supersoniche più pratiche rispetto ai ramjet. Successivamente, la maggior parte del lavoro statunitense e sovietico sui ramjet si è concentrato sulla costruzione di missili intercontinentali. Nel 1950, L'ingegnere americano William H. Avery e il laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University hanno prodotto Talos, il primo missile ramjet della US Navy. Le generazioni future raffineranno e semplificheranno il design, introducendo l'ibrido razzi in grado di raggiungere alte velocità supersoniche (Mach 3-5) (vedi sezione successiva) [fonti:Hoffman; Kossiakoff; Reparto].
Nonostante progetti intriganti come l'elicottero Hiller XHOE-1 Hornet, il proposto bombardiere intercettore Republic XF-103 e il drone da ricognizione senza pilota Lockheed D-21B di breve durata, ramjet languiva fino al debutto nel 1964 del Lockheed SR-71 Merlo . L'aereo con equipaggio più veloce fino al suo ritiro nel 1989, anche il Mach 3+ Blackbird utilizzava un motore ibrido, a volte chiamato a turboreattore [fonti:Museo Nazionale dell'USAF; smithsoniano; Reparto].
Ci immergeremo nell'SR-71 e in altri ibridi e sottotipi ramjet nella prossima sezione.
Rudi Ramjet?Alla fine della seconda guerra mondiale, La Germania aveva iniziato la ricerca su numerosi jet, compreso un ramjet assistito da un razzo, la Fw 252 "Super Lorin, " e il bombardiere antipodale Sänger-Bredt a propulsione ramjet. hanno costruito con successo la Buzz Bomb V-1, lanciata da una catapulta a vapore, bomba guidata a getto d'impulso. Un getto a impulsi non è un ramjet, ma condividono qualità in comune, compresa la semplicità e un minimo di parti mobili [fonti:Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Britannica; Enciclopedia Britannica; Museo Nazionale dell'USAF; van Pelt].
L'aereo da ricognizione Lockheed SR-71A Blackbird si prepara al volo. Il Merlo parcheggiato allo Steven F. Udvar-Hazy Center una volta volò da Los Angeles a Washington, DC, In un'ora, quattro minuti e 20 secondi. © George Hall/Corbis Se i ramjet sono così poco pratici, allora perché preoccuparsi? Bene, alle pressioni e temperature generate a Mach 2.5+, la maggior parte dei motori a reazione diventa estremamente poco pratica e assolutamente inutile. Anche se potessi far funzionare uno, farlo combinerebbe i rischi di far funzionare un mulino a vento in un uragano con l'inutilità di trasportare una macchina per le onde fino alla costa settentrionale di Oahu.
I Ramjet prendono i principi di base di altri jet e li portano fino a 11, il tutto senza grandi parti in movimento. L'aria entra nel diffusore di un ramjet a velocità supersoniche, assaltandolo con onde d'urto che aiutano a costruire la pressione del pistone. Un corpo centrale a forma di diamante nell'aspirazione comprime ulteriormente l'aria e la rallenta a velocità subsoniche per miscelarsi in modo più efficiente con carburante e combustione. La combustione avviene in una camera aperta simile a un gigantesco postcombustore, dove viene iniettato combustibile liquido o combustibile solido viene asportato dai lati della camera [fonti:Ashgriz; Enciclopedia Britannica; SPG; Reparto].
I limiti di velocità dei Ramjet hanno gradualmente ispirato motori ibridi che potevano volare a velocità inferiori e accelerare fino a velocità supersoniche. L'esempio più famoso, il merlo SR-71, usava un ibrido turbogetto-ramjet chiamato, appropriatamente, un turboreattore . Tali motori funzionano come un turbogetto postcombustione fino a ben oltre Mach 1, dopodiché i condotti bypassano il turbogetto e reindirizzano il flusso d'aria compresso dal pistone nel postcombustore, facendo in modo che il motore si comporti come un ramjet [fonte:Ward].
progetti di missili, nel frattempo, gradualmente ha eliminato i booster spostandoli all'interno del ramjet stesso, creare razzi , alias ramjet integrali . Durante l'accelerazione del razzo, i tappi sigillano temporaneamente l'aspirazione del ramjet e gli iniettori di carburante. Una volta che i razzi sono stati spesi e il ramjet è a regime, questi saltano fuori, e i razzi vuoti fungono da camere di combustione [fonte:Ward].
Guardare avanti, attraversare la linea Mach 5 a velocità ipersoniche probabilmente comporterà scramjets (reattori a combustione supersonici) . A differenza di altri ramjet, gli scramjet non hanno bisogno di rallentare l'aria a velocità subsoniche nelle loro camere di combustione. Per togliere l'accensione e l'espansione negli 0,001 secondi prima che l'aria pressurizzata esca dallo scarico, gli scramjet utilizzano tipicamente carburante a idrogeno, che ha un alto impulso specifico (variazione della quantità di moto per unità di massa del propellente), si accende in un'ampia gamma di rapporti carburante / aria e rilascia un'enorme esplosione di energia quando viene bruciata [fonti:Bauer; Enciclopedia Britannica; NASA].
Gli Scramjet sono rimasti teorici prima degli ultimi decenni, e il lavoro rimane per lo più sperimentale. Nel novembre 2004, Gli otto anni della NASA, Il programma Hyper-X da 230 milioni di dollari ha prodotto uno scramjet che ha raggiunto Mach 9,6 nel suo volo finale. Alcuni analisti ritengono che la tecnologia potrebbe raggiungere Mach 15-24, ma viaggiare in aereo a velocità ipersoniche significa superare forze diverse da quelle affrontate anche dalle più veloci navi supersoniche. In breve, abbiamo una lunga strada da percorrere prima di poter fare il pendolare da New York a Los Angeles in 12 minuti [fonti:Bauer; DARPA; Fletcher; NASA].
Il Ramjet interstellareUno dei principali ostacoli ai viaggi spaziali a propulsione a razzo è la relazione esponenziale tra accelerazione e carburante. Più veloce vai, più carburante hai bisogno; più carburante porti, più massa aggiungi, più carburante aggiuntivo è necessario per superarlo [fonti:Long; NASA].
Con questo in testa, i fisici hanno proposto altre soluzioni, compreso tutto, dalle vele solari alle bombe nucleari esplose. Nel 1960, il fisico Robert Bussard ha proposto un ramjet interstellare che raccoglierebbe particelle cariche nello spazio tramite un campo elettromagnetico, farli convergere, creare una reazione di fusione e utilizzare l'energia per la propulsione [fonti:Long; NASA].
Per saperne di più
Sono spesso affascinato dalle storie di grandi innovazioni che non sono riuscite a trovare un'applicazione quando sono state inventate. Durante la stesura di questo articolo, Per esempio, Mi è stato ripetutamente ricordato del laser, che una volta si chiamava soluzione alla ricerca di un problema.
Oh, che differenza fanno pochi decenni.
D'altra parte, a volte le invenzioni strane fanno milioni. Altre volte inventiamo cose per uno scopo che si rivelano avere applicazioni impreviste. Tra i suoi numerosi contributi, il programma spaziale americano ha inventato il costume da bagno a coste e ha cambiato per sempre i pannolini. Oggi, gli scienziati dei materiali stanno scoprendo proprietà per le quali dobbiamo ancora trovare usi. Con fortuna, se la caveranno meglio di Lorin.
