RAMJET e SCRAMJET: quando la propulsione si spinge oltre (parte 1)

Ramjet e Scramjet sono due tipologie di motori atmosferici, classificati come esoreattori in quanto sfruttano l’ossigeno, naturalmente presente in aria, come ossidante nella reazione di combustione.
La sostanziale differenza tra i due sistemi consiste nel processo di combustione: lo Scramjet (Supersonic Combustion) prevede infatti una combustione in regime supersonico, contro la “solita” combustione subsonica del ramjet.

Qualche richiamo…

Il numero di Mach

E’ importante aver chiaro fin da ora cosa si intenda con subsonico o supersonico. La natura del regime è infatti stabilita dal valore del numero di Mach, il quale è un numero adimensionale ottenuto dal rapporto tra la reale velocità di volo e la velocità del suono nelle condizioni atmosferiche considerate:

M = v / a

Infatti la velocità del suono non è costante, ma è una funzione della temperatura e del mezzo considerato:

a = √(γ R* T)

dove:

• γ è il rapporto tra c_p e c_v, corrisponde a 1.4 per gas (prettamente) biatomici come l’aria atmosferica;
• R* è la costante dei gas specifica, circa 287 J/(kg*K) per l’aria secca;
• T è la temperatura considerata.

Appare quindi evidente che la stessa velocità di volo (o la stessa velocità dell’aria rispetto al velivolo fermo) porta a due numeri di Mach differenti se si considerano condizioni con temperature diverse.

Supponiamo una velocità di 320 m/s (circa 1150 km/h). A quota zero, quindi in condizioni ambientali standard ad una temperatura di 288 K, avremo un regime subsonico (M = 0.94). Alla stessa velocità, ma ad una quota maggiore tale per cui la temperatura ambiente possa essere di 220 K, avremo invece un regime supersonico (M = 1.08).

In base al numero di Mach si definiscono i seguenti regimi:

• M < 1, regime subsonico
• M ≈ 1, regime transonico
• M > 1, regime supersonico
• M > 5, regime ipersonico

Cosa comporta praticamente il numero di Mach

Il comportamento di un fluido, come l’aria, all’interno di un condotto è fortemente dipendente dal regime di moto; è fondamentale tenere a mente i concetti successivi:

1. Un flusso subsonico, in un condotto convergente (a sezione decrescente), aumenta la propria velocità e diminuisce la propria pressione; viceversa per un condotto divergente (a sezione crescente);
2. Un flusso supersonico, in un convergente, diminuisce la propria velocità a favore di un aumento di pressione; viceversa in un divergente.

Problemi in comune

La struttura di Ramjet e Scramjet può essere pensata come un unico condotto aerodinamico, ridotto essenzialmente ad una presa d’aria, una camera di combustione e ad un ugello finale.

Infatti entrambi sono privi di organi rotanti quali compressori e turbine. In questo modo non è possibile l’instaurarsi di un moto relativo quando il velivolo è fermo in procinto di decollare: di fatto questi sistemi non permettono il decollo. Questo si traduce nella necessità di abbinare ad essi anche sistemi di turboreattori, come il turbofan. Tale esigenza è dettata anche dal fatto che sia Ramjet che Scramjet raggiungono elevate performance in termini di efficienza quando volano in determinate condizioni ottimali:

• 2 < M < 5, per il Ramjet
• M > 5, per lo Scramjet

Altri problemi nascono invece dalle effettive velocità raggiunte. Con Mach superiori a 5 dobbiamo tenere conto che la temperatura di ristagno, misurata sulla superficie della struttura, può aumentare anche di 20 volte. Questo significherebbe raggiungere temperature di 2500 K, assolutamente inaccettabili per i materiali utilizzati. Si rende quindi necessario un sistema di raffreddamento che per lo meno ottimizzi i flussi d’aria freddi.

Ricordiamo inoltre che le forze aerodinamiche variano con il quadrato della velocità, quindi nasce un evidente problema strutturale, dovuto a sollecitazioni elevate.

Non mancano problemi di stabilità a causa anche di direzioni di efflusso non perfettamente parallele. Si riesce ad arginare questo inconveniente con opportuni flap orientabili, i quali hanno il compito di creare precise onde d’urto per deviare il flusso d’aria e garantire un efflusso correttamente orientato.

Sistemi a confronto

In questa prima parte dell’articolo ci limiteremo a considerare il comportamento qualitativo di un Ramjet e di uno Scramjet, confrontando ciò che avviene al flusso d’aria lungo tutto il motore.

RAMJET

Come è possibile osservare dall’immagine, il Ramjet prevede una prima zona di compressione, caratterizzata dalla presenza di una presa d’aria. Questa si occupa principalmente di ridurre la velocità del flusso, e quindi di aumentarne la pressione, per raggiungere un Mach di 0.3 – 0.4, ottimale per la combustione. Per realizzare ciò bisogna far sì che si verifichino opportune onde d’urto “normali” che rallentino il flusso: il progetto di una presa supersonica consiste proprio nell’ottimizzazione di onde.

Il tratto successivo è caratterizzato dalla camera di combustione in cui viene direttamente iniettato combustibile nebulizzato. Il flusso viene in questo modo energizzato, portando con sé un notevole aumento di entalpia, che lo riporta ad un regime sonico (M=1) nella sezione di gola posta a valle della camera.

Il tratto finale è necessariamente caratterizzato da un divergente, costituito dall’ugello. In virtù delle premesse iniziali, lungo questo tratto noteremo di fatto un aumento considerevole di velocità.

SCRAMJET

Lo Scramjet prevede un ciclo del tutto analogo a quello precedente, con però delle considerazioni fondamentali.
In primo luogo la combustione deve essere supersonica; questo significa che la presa d’aria deve essere in grado di rallentare sì il flusso, ma soltanto con delle onde d’urto “oblique”, decisamente meno dissipative di quelli “normali”.
Così facendo la combustione avverrà in regime supersonico, portando con sé ulteriori problematiche legate al tempo fluidodinamico di reazione (verranno analizzate nel successivo articolo).
Inoltre lo Scramjet non prevede particolari “strettoie” tipiche del Ramjet: in questo caso la camera di combustione deve essere un divergente per favorire l’aumento di velocità prima ancora di essere entrati nell’ugello.

Attualmente i sistemi Ramjet sono utilizzati in applicazioni militari di tipo missilistico: vengono quindi lanciati direttamente da un velivolo ad alta quota. Gli Scramjet sono invece oggetto di studio e ricerca. Forse in futuro saremo in grado di volare fino a Mach 15, ma non senza l’ausilio di turboreattori !