Come funzionano i Ramjet

Come può dirti chiunque abbia mai perso la pancia da un'immersione alta, quando colpisci un fluido senza dargli il tempo di togliersi di mezzo, tende a reagire. 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, in cui lo snellimento non è abbastanza: una velocità alla quale l'aria stessa che tiene in alto il tuo aereo inizia a martellarti con una resistenza apparentemente insormontabile, turbolenze sferraglianti e onde d'urto brutali. In effetti, molti credevano che questa barriera del suono fosse indistruttibile fino a quando, il 14 ottobre 1947, il Bell X-1 a razzo di Chuck Yeager dimostrò che si sbagliavano.

Ma cosa accadrebbe se potessi trasformare tutta quell'aria accumulata a tuo vantaggio? E se, invece di agitarlo con le eliche o bruciarlo con i razzi, potessi imballarlo in un tubo dalla forma speciale, pomparlo con un'esplosione e spararlo con un ugello a velocità supersoniche, il tutto senza parti mobili importanti? 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 vogliono ingegneria aeronautica all'avanguardia, materiali moderni e produzione di precisione per riuscirci, il che spiega in parte perché un'idea vecchia 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 nitrato di ammonio, clorato di potassio o clorato di ammonio, i ramjet respirano aria. Pertanto, mentre i razzi possono operare nel quasi vuoto dello spazio, i ramjet devono volare attraverso l'atmosfera. Devono farlo anche a velocità molto elevate - intorno a Mach 2,5-3,0, o tre volte la velocità del suono - perché i ramjet funzionano sfruttando la pressione del pistone, la compressione naturale dell'aria provocata dall'alta velocità di un aereo. In altre parole, i ramjet si alleano con le stesse onde d'urto e forze di compressione che un tempo si opponevano al volo ad alta velocità; seguono letteralmente il flusso [fonti: Encyclopaedia Britannica ; Nasa ].

I Ramjet sono più efficienti sulle lunghe distanze rispetto ai razzi, ma presentano uno svantaggio significativo: sono inutili a basse velocità. Di conseguenza, fanno affidamento su razzi booster o altri veicoli per metterli al passo. Gli aerei ramjet autonomi utilizzano in genere motori ibridi [fonte: NASA ].

Se quella spiegazione ti è passata davanti a velocità supersonica, è probabilmente 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.

1. Detonazioni e Arrivi
2. Ramjets, in anticipo sui tempi?
3. Ramjets: prendere in giro Mach

I jet corrono su esplosioni controllate. Sembra strano finché non ti rendi conto che anche la maggior parte dei motori delle auto lo fa: aspira l'aria, comprimila, mescolala con il carburante, accendila e sbatti! Hai spinto un pistone . Ma mentre i motori a benzina e diesel comportano una combustione ciclica o intermittente , i getti comportano una combustione continua, in cui carburante e aria si mescolano e bruciano senza sosta. Ad ogni modo, bruciare più gomma significa consumare più gas e ciò 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 entrò in combattimento verso la fine della seconda guerra mondiale utilizzando motori a turbogetto , un design semplice ma ingegnoso basato sul ciclo Brayton (o Joule ) : mentre l'aereo vola, l'aria scorre attraverso una presa in un diffusore , una camera che rallenta il flusso d'aria e inibisce le onde d'urto. Passa quindi attraverso una serie di dischi a lame: rotori rotanti , che spingono l'aria all'indietro, e statori fissi, che guidano il flusso d'aria. Insieme, agiscono come un compressore che pompa la pressione all'interno delle camere di combustione del getto. Lì, il carburante si mescola con aria pressurizzata e si accende, facendo esplodere temperature nell'intervallo 1800-2800 F (980-1540 C) o superiore [fonti: Encyclopaedia Britannica ; Krueger ; Spakovskij ].

La pressione aumenta con la temperatura, quindi questa esplosione crea molta forza con nient'altro da fare che cercare una rapida uscita. Quando lo scarico spara attraverso l'ugello posteriore, genera 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. Quando la turbina gira, trasferisce energia alle pale del compressore davanti, completando il ciclo.

Negli aeroplani con turboelica o elicotteri con motori turboalbero , le turbine trasferiscono anche potenza a un'elica o al rotore di un elicottero tramite una serie di ingranaggi.

I turbojet racchiudono molta potenza ma faticano a basse velocità. Di conseguenza, negli anni '60 e '70, gli aerei a basso supersonico iniziarono a tendere verso i turbofan che la maggior parte dei jet privati ​​e degli aerei di linea commerciali usano ancora. Un turbofan è il turducken dei motori, essenzialmente un turbojet avvolto in una cappottatura più grande con una grande ventola schiaffeggiata sulla parte anteriore. La ventola aspira più aria, che poi il motore divide in due flussi: un po' d'aria si muove attraverso il turbogetto annidato, mentre il resto scorre attraverso lo spazio vuoto circostante. I due flussi si riuniscono quando l'aria più fredda reindirizzata si mescola con lo scarico del turbogetto e lo rallenta, creando un flusso di spinta più grande e più lento che è più efficiente alle basse velocità [fonti: Encyclopaedia Britannica ; Krueger ].

Nel frattempo, nel periodo in cui i turbofan si sono affermati, la ricerca sui velivoli ramjet stava finalmente facendo il suo passo. Era stata una lunga strada.

Postcombustori

Alcuni turbogetti e turboventole sono accoppiati con postbruciatori , che espellono più energia iniettando carburante nello scarico dopo aver superato la turbina e riaccendendola. Questo processo, noto anche come riscaldamento , è inefficiente ma può aumentare la spinta del turbofan fino al 50 percento [fonti: Encyclopaedia Britannica ; Pratt & Whitney ]. I postcombustori sono utili durante il decollo o in condizioni sfavorevoli, a bassa velocità oa bassa pressione. Si trovano principalmente negli aerei da combattimento supersonici, sebbene il Concorde SST li abbia usati anche al decollo [fonti: Encyclopaedia Britannica ; NASA ; Pratt & Whitney ].

Chi ha detto che devi camminare prima di poter correre non ha mai incontrato il francese René Lorin. Vide le possibilità della propulsione a pressione di ariete già nel 1913, quando i piloti stavano ancora volando glorificati aquiloni di legno. Consapevole dell'inutilità del progetto a velocità subsoniche, progettò invece una bomba volante assistita da un ramjet. L'esercito francese lo fece cenno di allontanarsi. L'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 modelli Ramjets hanno goduto di una breve moda tra le due guerre mondiali. Gli ingegneri sovietici fecero i primi passi avanti con i ramjet basati su razzi (vedi la sezione successiva), ma l'interesse si esaurì prima del 1940. L'occupazione tedesca interruppe i primi lavori dell'ingegnere francese René Leduc, ma la sua persistenza e segretezza furono ripagate il 21 aprile 1949, quando il suo Lorin -ispirato modello 010 ha fatto il suo primo volo a motore di un aereo ramjet. 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', è stato così. 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 turbojet 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 accese, divenne chiaro che i turbojet e i turbofan presentavano soluzioni subsoniche e a basso numero di supersonici 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 Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory produssero Talos, il primo missile ramjet della US Navy. Le generazioni future raffinerebbero e semplificherebbero il design, introducendo rocchetti ibridi in grado di raggiungere velocità supersoniche elevate (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, gli aerei a reazione languirono fino al debutto nel 1964 del Lockheed SR-71 Blackbird . L'aereo con equipaggio più veloce fino al suo ritiro nel 1989, il Mach 3+ Blackbird utilizzava anche un motore ibrido, a volte chiamato turboramjet [fonti: National Museum of the USAF ; Smithsoniano ; reparto ].

Ci tufferemo nell'SR-71 e altri ibridi e sottotipi ramjet nella prossima sezione.

Rudi Ramjet?

Entro la fine della seconda guerra mondiale, la Germania aveva iniziato la ricerca su numerosi velivoli a reazione, tra cui un ramjet assistito da razzo, l'Fw 252 "Super Lorin" e il bombardiere antipodal Sänger-Bredt a reazione ramjet. Il più famoso, hanno costruito con successo la V-1 Buzz Bomb, una bomba guidata lanciata da catapulte a vapore e azionata da un jet a impulsi. Un getto a impulsi non è un ramjet, ma condividono qualità in comune, inclusa la semplicità e un minimo di parti mobili [fonti: Encyclopaedia Britannica ; Enciclopedia Britannica ; Enciclopedia Britannica ; Museo Nazionale dell'USAF ; van Pelt ].

Se i ramjet sono così complicati, allora perché preoccuparsi? Ebbene, alle pressioni e alle temperature generate a Mach 2,5+, la maggior parte dei motori a reazione diventa estremamente impraticabile e assolutamente inutile. Anche se si potesse fare un lavoro, così facendo unirebbe i rischi di far funzionare un mulino a vento in un uragano con l'inutilità di trasportare una macchina delle onde a North Shore di Oahu.

I Ramjet prendono i principi di base di altri jet e li portano a 11, il tutto senza parti mobili importanti. L'aria entra nel diffusore di un ramjet a velocità supersoniche, assaltandolo con onde d'urto che aiutano ad aumentare la pressione dell'ariete. Un corpo centrale a forma di diamante nell'aspirazione spreme ulteriormente l'aria e la rallenta a velocità subsoniche per mescolarsi in modo più efficiente con carburante e combustione. La combustione avviene in una camera aperta simile a un postbruciatore gigante, dove viene iniettato combustibile liquido o il combustibile solido viene asportato dai lati della camera [fonti: Ashgriz ; Enciclopedia Britannica ; GSP ; reparto ].

I limiti di velocità di Ramjets hanno gradualmente ispirato motori ibridi che potevano volare a velocità inferiori e accelerare a velocità supersoniche. L'esempio più famoso, l'SR-71 Blackbird, utilizzava un ibrido turbojet-ramjet chiamato, in modo appropriato, turboramjet . Tali motori funzionano come un turbogetto a postcombustione fino a ben oltre Mach 1, dopodiché i condotti bypassano il turbogetto e reindirizzano il flusso d'aria compresso nel postbruciatore, facendo sì che il motore si comporti come un ramjet [fonte: Ward ].

I progetti di missili , nel frattempo, hanno gradualmente eliminato i booster spostandoli all'interno del ramjet stesso, creando ramrockets , noto anche come ramjet integrale . Durante l'accelerazione del razzo, i tappi sigillano temporaneamente l'aspirazione del ramjet e gli iniettori di carburante. Una volta che i razzi sono esauriti e il ramjet è a regime, questi saltano fuori e i razzi vuoti fungono da camere di combustione [fonte: Ward ].

Guardando al futuro, attraversare la linea Mach 5 a velocità ipersoniche comporterà probabilmente scramjets (ramjet a combustione supersonica) . A differenza di altri ramjet, gli scramjet non hanno bisogno di rallentare l'aria a velocità subsoniche nelle loro camere di combustione. Per interrompere l'accensione e l'espansione negli 0,001 secondi prima che l'aria pressurizzata fuoriesca dallo scarico, gli scramjet utilizzano tipicamente carburante a idrogeno, che ha un impulso specifico elevato (cambiamento della quantità di moto per unità di massa di propellente), si accende su un'ampia gamma di carburante/ l'aria si rapporta e rilascia un'enorme esplosione di energia quando viene bruciata [fonti: Bauer ; Enciclopedia Britannica ; Nasa ].

Scramjets è rimasto teorico prima degli ultimi decenni e il lavoro rimane per lo più sperimentale. Nel novembre 2004, il programma Hyper-X della NASA, durato otto anni e 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 dai velivoli supersonici più veloci. In breve, abbiamo ancora molta strada da fare prima di poter fare il pendolare da New York a Los Angeles in 12 minuti [fonti: Bauer ; DARPA ; Fletcher ; Nasa ].

Il Ramjet interstellare

Uno dei principali ostacoli ai viaggi spaziali a razzo è la relazione esponenziale tra accelerazione e carburante. Più veloce vai, più carburante ti serve; più carburante trasporti, più massa aggiungi, più carburante aggiuntivo è necessario per superarlo [fonti: Long ; Nasa ].

Con questo in mente, i fisici hanno proposto altre soluzioni, tra cui qualsiasi cosa, dalle vele solari alle bombe nucleari esplose. Nel 1960, il fisico Robert Bussard propose un ramjet interstellare che raccoglierebbe particelle cariche nello spazio tramite un campo elettromagnetico, le fa convergere, crea una reazione di fusione e usa l'energia per la propulsione [fonti: Long ; Nasa ].

Nota dell'autore: come funzionano i Ramjets

Sono spesso incantato da storie di grandi innovazioni che non sono riuscite a trovare un'applicazione quando sono state inventate per la prima volta. Mentre scrivevo questo articolo, ad esempio, mi è tornato in mente più volte il laser, che un tempo veniva chiamato una soluzione alla ricerca di un problema.

Oh, che differenza fanno alcuni decenni.

D'altra parte, a volte le strane invenzioni 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 i pannolini per sempre . Oggi, gli scienziati dei materiali stanno scoprendo proprietà per le quali non abbiamo ancora trovato usi. Con un po' di fortuna, se la passeranno meglio di Lorin.

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