RAMJET e SCRAMJET: quando la propulsione si spinge oltre (parte 2)

Nel precedente articolo vi avevamo introdotto al mondo della propulsione supersonica, mostrando le caratteristiche e le problematiche di base dei sistemi Ramjet e Scramjet.
In questo articolo vogliamo invece entrare nello specifico dello Scramjet, a partire dalla composizione strutturale, fino ad arrivare a problemi più specifici. Tutto ciò senza far mancare parallelismi con il Ramjet.

Configurazione Scramjet

Ricordiamo che lo Scramjet è ideato per operare in campo ipersonico (in futuro si prevede di raggiungere Mach 15). In virtù di questo scopo, il sistema propulsivo è fortemente integrato con la geometria del velivolo, al contrario di ciò che succede con i classici turboreattori.

Si può infatti notare dalla figura che la presa d’aria è ricavata dalla struttura anteriore, mentre l’ugello da quella posteriore. In un Ramjet invece noteremmo un sistema propulsivo visivamente distaccato dal resto del velivolo.

In generale, dividendo lo Scramjet lungo il suo asse, possiamo individuare 4 zone:

• presa d’aria (inlet)
• isolatore
• camera di combustione
• ugello (nozzle)

Vediamole nello specifico.

Presa d’aria

Sostanzialmente si tratta di un condotto convergente, in modo tale che il flusso d’aria supersonico possa rallentare. La diminuzione di velocità è fondamentale per la successiva combustione, ma deve comunque rimanere superiore a Mach 1. A tal fine, grazie alla geometria stessa, si prevede la formazione di onde d’urto oblique che provocano un brusco aumento di pressione a discapito della velocità.

Isolatore

L’isolatore è molto complicato da trattare dal punto di vista gasdinamico. Riveste però un ruolo fondamentale: infatti, poiché lo Scramjet necessita di raggiungere Mach 5 prima di poter funzionare a pieno regime, è obbligatorio prevedere un sistema che ne faciliti l’utilizzo. Chi, se non il Ramjet?

Infatti lo Scramjet può essere anche sfruttato come dual-mode. Durante il funzionamento come Ramjet la combustione deve essere subsonica e ci si deve quindi aspettare fenomeni di onde d’urto normali sulla presa d’aria.

In questo senso si può affermare che l’isolatore è in sostanza un condotto a sezione costante che introduce margini di sicurezza, isolando in modo netto presa d’aria e camera di combustione.

Camera di combustione

Si tratta di un condotto divergente per favorire l’accelerazione del flusso. In questa zona è di primaria importanza tener sotto controllo l’iniezione e la miscelazione.

A causa dell’elevata velocità del flusso d’aria durante la combustione (nel caso di utilizzo come Scramjet), potrebbe non esserci sufficiente tempo per far sì che la reazione stessa avvenga. Bisogna infatti prevedere che ci sia una completa miscelazione con il combustibile, di solito idrogeno, e che si sviluppino temperature elevate prima che il flusso stesso attraversi tutto il condotto.

In prima analisi si può pensare ad un’atomizzazione del combustibile così da aver maggior superficie di contatto durante la combustione. Inoltre è possibile realizzare un riscaldamento anticipato del combustibile per avvicinarsi alle condizioni di reazione.

Per quanto riguarda la miscelazione si introducono delle piccole rampe nella stessa direzione del flusso che favoriscono la generazione di onde d’urto: queste portano inevitabilmente ad una variazione di pressione tra la zona a monte e quella a valle dell’onda. L’iniezione di carburante in questa zona risulta ottimale dal momento che favorisce un aumento di turbolenza e di conseguenza una migliore miscelazione.

Ugello

L’ugello a sua volta è diviso in due parti. La prima prevede un’espansione confinata entro le superfici del velivolo. Nella seconda abbiamo invece un’accelerazione (quindi ancora espansione) esterna, che sfrutta parzialmente la carenatura del tratto posteriore del velivolo.

In questo secondo tratto inoltre terminano le reazioni chimiche di combustione che non hanno avuto modo di completarsi nella camera a causa del basso tempo di residenza.