Onda d’urto normale: cos’è e cosa comporta

Spesso sentiamo parlare di onda d’urto declinata nel caso della detonazione o di un volo supersonico.

Per definizione, la detonazione è un tipo di reazione di combustione che ammette una propagazione supersonica del fronte di fiamma, con relativa formazione di un’onda d’urto che si propaga in una miscela reagente. Questa non è da confondere con l’autoaccensione dei motori a combustione che, invece, consiste in un’anomala combustione dovuta principalmente a temperature eccessive. Potete trovare una descrizione decisamente più ampia in questo articolo.
Nel caso aeronautico invece si ha sempre la formazione di un’onda d’urto con voli supersonici.
Ma siamo davvero sicuri di conoscere gli aspetti fisici che si nascondono alla base di tale fenomeno?

Cosa implica la formazione di un’onda d’urto?

In questa prima fase analizzeremo il fenomeno dell’onda d’urto normale, successivamente invece verrà anche trattata l’onda d’urto obliqua. D’altra parte le due si assomigliano parecchio, anche se, per certi aspetti, comportano conseguenze decisamente differenti.

Prima di tutto, come il nome stesso fa intuire, l’onda d’urto viene detta “normale” quando si presenta in maniera perpendicolare alla direzione del flusso.
Si può pensare l’onda d’urto ferma rispetto ad un flusso che la investe in regime supersonico, oppure alla stessa velocità del flusso e che investe altri corpi. I due sistemi di riferimento risultano equivalenti e, per semplicità, considereremo il primo caso.

In presenza di un fluido comprimibile si può verificare un brusco cambio di stato che si manifesta con un significativo incremento di pressione, temperatura e densità.
La variazione di questi parametri del flusso avviene in un sottilissimo spessore, dell’ordine dei 10 – 100 nm. Pertanto si assiste ad una variazione finita di grandezze all’interno di uno spessore infinitesimo, quindi trascurabile. Per questo motivo l’onda d’urto viene trattata e anche modellata matematicamente come una superficie di discontinuità.

Oltre che di un fenomeno adiabatico, per assenza di scambi di calore, si tratta anche di un processo assolutamente irreversibile, le cui irreversibilità dipendono dalla velocità del flusso stesso. In virtù di quest’ultime la pressione totale, indice di contributo energetico del flusso, diminuisce, ossia si verifica una diminuzione del contributo cinetico a fronte di un aumento di temperatura e pressione statica.

Come viene trattata l’onda d’urto?

Si potrebbero fare entrare in gioco le classiche equazioni di governo per lo studio dei fluidi: continuità, bilancio della quantità di moto e bilancio energico. Conviene però risparmiarsele in quanto i dati più interessanti sulle conseguenze di un’onda d’urto ci vengono forniti da alcuni significativi grafici.

In tutti i prossimi grafici sull’asse delle ascisse viene rappresentato il numero di Mach a monte dell’onda d’urto, rappresentativo per esempio della velocità del velivolo. Sull’asse delle ordinate invece è spesso presente il rapporto tra la grandezza a valle dell’onda e la stessa grandezza a monte.

Da questo primo grafico capiamo subito che la presenza di un’onda d’urto normale fa sì che il flusso a valle della stessa sia necessariamente subsonico, a prescindere dalle condizioni a monte.

Supponiamo adesso di considerare uno scramjet, pensato per volare anche a Mach 10. In queste condizioni un’onda d’urto normale provocherebbe un aumento di pressione statica di oltre 100 volte. Partendo idealmente da una pressione atmosferica, la struttura esterna sarà soggetta ad una pressione di ben 100 bar, assolutamente distruttiva.

Stesso discorso vale anche per le temperature. Alla quota di crociera possiamo pensare di essere a 200 K. A seguito dell’onda, a Mach 10, la temperatura aumenterebbe fino a 20 volte, portandosi a 4000 K sulle superfici esterne: qualsiasi materiale fonderebbe.

Infine viene mostrato come varia il rapporto tra le pressioni totali, che ricordiamo essere un valido indice di contributo energetico.
Già solo a Mach 4 l’effetto dissipativo è considerevole; infatti si verifica un abbattimento del 85-90 % del contributo energetico complessivo.

Per concludere, appare evidente come l’onda d’urto normale sia assolutamente dannosa per un volo e altresì distruttiva a seguito di una detonazione. In qualsiasi tipo di progetto sarà quindi fondamentale tenerne conto per gestirla, confinarla e ridurne i danni.