Nel Sud Italia e precisamente a Capua, ha sede il CIRA, Centro Italiano Ricerche Aerospaziali. Qui è attivo il Complesso Plasma Wind Tunnel, il quale dispone di due impianti ipersonici: SCIROCCO e GHIBLI. L’impianto di punta è lo “Scirocco Plasma Wind Tunnel”, che di recente è stato migliorato nel sottosistema dell’arco elettrico. La loro funzionalità permette la simulazione al suolo delle condizioni aerotermodinamiche che si generano sui Sistemi di Protezione Termica dei veicoli spaziali durante la fase di rientro ipersonico. Lo SCIROCCO Plasma Wind Tunnel, il cui acronimo è PWT, risulta essere l’impianto ad arco più grande e più potente al mondo sia in operazioni ipersoniche, che ad alta entalpia ed a bassa pressione. È stato costruito nell’ambito del programma Hermes dell’Agenzia Spaziale Europea ed è operativo dal 2002. L’impianto SCIROCCO è stato progettato per simulare le condizioni estreme di flusso termico e pressione a cui sono esposti i veicoli spaziali che rientrano nell’atmosfera terrestre. Il flusso di aria generato intorno ad un veicolo di rientro è pari a circa 14 volte la velocità del suono con temperature che superano le migliaia di gradi centigradi e questo fornisce una dimensione del valore della galleria al plasma del CIRA. L’obiettivo principale dell’impianto è di qualificare articoli di prova di grandi dimensioni fino a 600 mm di diametro, di Sistemi di Protezione Termica, Strutture Calde e Carico di veicoli per il rientro dallo spazio. Il Cira dichiara che l’impianto è alimentato da un riscaldatore ad arco di 70 MW di potenza elettrica massima ed è in grado di generare un getto di plasma fino a 2 metri di diametro, a Mach 12, per una durata fino a 30 minuti. Il gas di prova è una miscela di aria ed argon con una portata massima di 3,5 kg/s. All’interno dell’arco, il gas compresso è riscaldato fino a temperature di plasma comprese tra 2.000 e 10.000 gradi Kelvin. Il flusso di plasma è accelerato a velocità ipersonica attraverso un ugello conico convergente-divergente. Ci sono cinque diverse configurazioni di ugello disponibili con diametri di uscita che vanno da 187 mm, per la simulazione del rientro superorbitale, a 1950 mm, allo scopo di ottenere la condizione di flusso desiderata. Il getto ipersonico è convogliato ad un lungo diffusore, in cui avviene la transizione da flusso ipersonico a subsonico, che poi viene raffreddato da uno scambiatore di calore. Il sistema è costituito da eiettori a vapore che utilizzano come fluido motore fino a 100 t/h di vapore d’acqua ad alta pressione, 30 bar e 250°C. Prima che il gas di processo sia espulso nell’atmosfera, viene trattato con sostanze chimiche nel Sistema DeNOx allo scopo di rimuovere gli Ossidi di Azoto prodotti nella transizione da ipersonico a subsonico. Per meglio comprendere la potenza dell’impianto, l’energia che sviluppa, pari a 70 MW, potrebbe fornire elettricità ad una città di 80.000 abitanti. Le commesse sono prontamente giunte appena il sottosistema dell’arco elettrico è tornato operativo, in particolare quella dalla NASA, per il monitoraggio sulla protezione termica di materiali innovativi, alcuni test di prova commissionati dall’Università del Queensland ed infine dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA).
Un rivestimento refrattario che sarebbe in grado di sopportare temperature fino a 3.000 gradi, è una nuova ceramica in fase di studio sia in Gran Bretagna che in Cina. Questo materiale avrebbe un’ applicazione più pratica di quelli studiati dalla NASA per le future missioni umane su Marte, infatti dovrebbe rivestire velivoli militari e commerciali che possono raggiungere una velocità pari a cinque volte quella del suono. Uno degli ostacoli maggiori alla progettazione di un aeromobile con capacità ipersoniche sono proprio le alte temperature ingenerate dall’attrito dell’aria sulle superficie dei velivoli. Sono principalmente due i fattori che degradano i componenti delle fusoliere: l’ablazione e l’ossidazione. Mentre la prima è una rimozione delle molecole esterne del rivestimento, la seconda addirittura muta la composizione molecolare a causa di una reazione combinata con l’ossigeno. Attualmente queste ceramiche, dette materiali ceramici ultra refrattari, subiscono una limitazione nell’uso a causa proprio dell’ablazione. Un nuovo prodotto che sembrerebbe resistere maggiormente al fenomeno dell’ablazione è una unione di più materiali come il carbonio, il titanio, lo zircone ed il boro, ma al momento non è prevista un’applicazione civile ma è riservata ai velivoli militari.
Il settore del trasporto aereo civile ha in programma l’HEXAFLY-INT. Il progetto di questo velivolo impegnerà, nei prossimi anni, 18 aziende di ricerca pubblica e privata da quattro diversi continenti, con la finalità di realizzare il primo prototipo di aereo civile capace di volare a oltre 8.600 Km/h, ad una velocità 7 volte superiore a quella del suono. L’aeromobile volerà per la prima volta presumibilmente nel 2019 e sarà assemblato proprio nel CIRA, che ricopre il ruolo di Project Engineer, con la responsabilità tecnica di numerosi processi di progettazione del velivolo. La realizzazione del nuovo prototipo coinvolgerà tre piccole e medie imprese campane impegnate nel settore aerospaziale: Tecnosystem, Techno System Developments e Marotta srl. Uno degli obiettivi finali sarà quello di dimostrare la fattibilità tecnica ed il grado di efficienza di questo veicolo, che potrebbe condurre ad una nuova concezione di design e di materiali da utilizzare nella costruzione dei velivoli ipersonici. Nel 2020 dovrebbe effettuare il primo volo il PRIDE, un vettore con la peculiarità di rientrare alla base dopo la missione nello spazio. Di fatto sarà una navetta riutilizzabile, per un massimo di 6 volte, per trasportare in orbita un carico utile fino a 300 chilogrammi e sarà lanciato dal VEGA-C. Una volta rilasciato il contenuto, il PRIDE può atterrare su una pista come un aeroplano e, dopo i controlli, essere utilizzato nuovamente. Allo sviluppo partecipano 9 paesi europei coadiuvati da 25 aziende ed il risultato da perseguire sarà quello di porre in orbita piccoli satelliti per l’osservazione delle Terra ed anche per voli verso la Stazione Spaziale Internazionale. Il vettore VEGA è prodotto in Italia da AVIO ed è lo stesso che nel febbraio del 2015 ha trasportato la navetta IXV, Intermediate eXperimental Vehicle, sviluppata sempre in Italia da Thales Alenia Space in collaborazione con il CIRA di Capua. La IXV ha effettuato un volo suborbitale ad oltre 400 chilometri di quota. Durante la missione, la IXV ha testato con successo la sua capacità di rientro nell’atmosfera, palesando così la validità del progetto.
La capacità di assemblare un velivolo ipersonico non è limitata al rivestimento, ma in particolare al propulsore. Anche in questo caso l’Italia è protagonista: la Te.Co.S. srl di Verona Villafranca, specializzata in consulenza tecnica nei settori aerospaziale e bioingegneria, ha dato inizio al progetto ed allo sviluppo del motore RISCRAM, Rocket Ignited Supersonic Combustor Ramjet. È un motore ibrido costituito da uno statoreattore, da un razzo e da un turbogetto ed appartiene alla categoria dei motori a ciclo combinato. Il RISCRAM è un propulsore per aeromobili ipersonici destinati alle missioni spaziali, al volo stratosferico a fini di studio e di ricerca scientifica ed ancora per equipaggiare velivoli da trasporto merci, passeggeri oppure aeromobili a controllo remoto e missili. Il motore RISCRAM è in grado di funzionare su di un ampio intervallo di velocità e quota di volo, sia da punto fisso che dal livello del mare, fino a raggiungere un regime ipersonico ad una quota superiore a quella dell’atmosfera terrestre. Attualmente è incorporato nel missile multipiattaforma “Fobos”, che raggiunge la velocità di Mach 7, e sul veicolo di lancio per satelliti riutilizzabili TSTO. Quest’ultimo ha la capacità di compiere una missione per la messa in orbita di un satellite fino a 100 km di altitudine per poi rientrare in totale sicurezza. Inoltre, la sua peculiarità di essere riutilizzabile riduce notevolmente i costi di gestione. Le due soluzioni adottate per l’impiego del RISCRAM sono rispondenti alle attuali esigenze del mercato della difesa militare mondiale e del settore spaziale. La Te.Co.S collabora con la Visiona Embraer in Brasile e con MBDA in Italia per depositare il PCT del motore RISCRAM, con l’obiettivo finale di coinvolgere anche gli Stati Uniti.
Il contributo italiano ai voli spaziali non è solo a livello privato, ma anche statale. Nel 2016 è stato siglato a Roma un memorandum per la collaborazione sul “Commercial Space Transportation” tra la statunitense Federal Aviation Administration, l’Ente Nazionale per l’Aviazione Civile e l’Agenzia Spaziale Italiana. L’obiettivo è identificare normative, soluzioni tecniche ed operative per realizzare in Italia voli suborbitali alla “Linea di Karman”, che si estende fino a 100 km di quota. Con questo memorandum, l’Italia primeggia in Europa per la ricerca sull’accesso commerciale allo spazio. L’Aeronautica Militare Italiana ha in fase di studio la gestione delle traiettorie di accesso suborbitali ed anche l’identificazione di possibili siti a terra dove edificare i futuri spazioporti per adibirli al trasporto spaziale. Tra le regioni oggetto di interesse ci sono la Puglia con l’area aeroportuale di Grottaglie, la Campania con Grazzanise e la Sardegna con Decimomannu. Per motivi strettamente legati alla sicurezza e controllo del territorio probabilmente la scelta ricadrà sugli aeroporti che si affacciano sul Tirreno, ben protetto e pattugliato dall’Italia e dalla NATO. L’Italia è particolarmente adatta per i voli suborbitali in quanto è circondata dal mare ed offre quindi una maggiore sicurezza intrinseca alle operazioni, inoltre le condizioni climatiche sono particolarmente favorevoli in termini di bel tempo e visibilità.
Le nazioni che investono maggiormente sullo sviluppo della tecnologia ipersonica sono gli Stati Uniti, la Russia e la Cina. Quest’ultima sembra essere in fase conclusiva dell’assemblaggio di una galleria del vento ipersonica denominata “Hyper Dragon”, dove si potranno simulare velivoli ipersonici sino a 12 chilometri al secondo. Un ipotetico aeromobile potrebbe coprire la distanza dalla Cina alle coste occidentali degli Stati Uniti pressappoco in 14 minuti. Nella nuova galleria del vento ci sarà una camera di prova per modelli di aerei relativamente grandi dall’apertura alare di quasi tre metri. Per generare un flusso d’aria dalla velocità estremamente elevata, i ricercatori cinesi faranno detonare diverse valvole contenenti una miscela di ossigeno, idrogeno ed azoto per creare una serie di esplosioni che producano un gigawatt di potenza in una frazione di secondo. Le onde d’urto, incanalate nella camera di prova attraverso un tunnel metallico, avvolgeranno il prototipo del veicolo e aumenteranno la temperatura della cellula a 8000 gradi Kelvin, o 7727 gradi Celsius, quasi il 50% più caldo della superficie del Sole. Il velivolo ipersonico dovrà quindi essere coperto di materiali speciali con sistemi di raffreddamento estremamente efficienti nella cellula per dissipare il calore, altrimenti potrebbe facilmente deviare dalla rotta o disintegrarsi durante il volo a lunga distanza.
La Russia è pronta a dislocare sugli incrociatori a propulsione nucleare “Pietro il Grande” e “Ammiraglio Nakhimov” e sui sommergibili nucleari “Husky” di quinta generazione, il missile ipersonico “Zircon”, il cui peso si attesta tra le 2 e le 4 tonnellate con una gittata stimata intorno ai mille chilometri. Il vettore può essere lanciato anche da postazioni terrestri, in particolare dalle rampe 3C14 utilizzate attualmente per i missili Onyx e Caliber. Grazie alla sua elevatissima velocità Mach 8, il vettore risulta impossibile da intercettare e da abbattere dai moderni sistema di difesa antimissile. La testata di guerra sembra sia in grado di affondare una portaerei di ultima generazione. Inoltre la Russia ha appena sperimentato un motore a detonazione: la principale differenza tra il motore di detonazione e quello convenzionale è che la combustione del carburante avviene a velocità supersonica. Ciò porta ad un enorme rilascio di calore, diverse migliaia di volte superiore rispetto alla combustione subsonica. Questa peculiarità consente di ridurre la massa e le dimensioni del motore.
Gli Stati Uniti hanno in programma diversi progetti sia missilistici che aeronautici per il volo ipersonico. Il test missilistico ha avuto luogo il 17 luglio 2017 nel poligono di Woomera in Australia. Nella progettazione del vettore partecipano l’aviazione militare americana, il ministero della Difesa australiano, le società Boeing e BAE Systems, così come l’università del Queensland. Il costo del progetto è stimato in 54 milioni di dollari. La società Lockheed Martin ha iniziato a lavorare sulla creazione di un aereo spia ipersonico: il Blackbird SR-72. Dovrebbe trattarsi di un velivolo a pilotaggio remoto e sarà dotato di un propulsore che combina un motore a turbina ed uno a jet. La velocità massima si attesterà a 6 Mach, e potrebbe entrare in servizio nel 2030. Gli USA detengono però la galleria del vento più grande al mondo ed è nello stato di New York, a Buffalo. La LENX-X opera a velocità di 10 chilometri al secondo, ossia 30 volte la velocità del suono.
In definitiva, l’aspetto più ostativo rimane l’impatto con l’atmosfera, pertanto è necessario ricercare soluzioni ingegneristiche per minimizzarne gli effetti. La sfida degli attori coinvolti è ottimizzare l’interazione velivolo-atmosfera ossia maggiore portanza in fase di ascesa verso lo spazio e durante il rientro, ovvero volare verso e dallo spazio.
Sitobibliografia:
Francesca Cipparone, “Ricerca aerospaziale: torna operativo lo “Scirocco Plasma Wind Tunnel”. Meteoweb, 07 marzo 2016.
Elisabetta Intini, “La ceramica ultraresistente per i voli ipersonici”. Focus, 14 luglio 2017
Alessandro Lattanzio, “La Cina testa armi che raggiungeranno gli USA in 14 minuti.” Aurora, 14 novembre 2017
Marco Gabaldo , “RISCRAM™: propulsore ipersonico.” Aviation Report, 7 marzo 2017
Italian Institute for the future: http://www.instituteforthefuture.it/italia-trasporto-spaziale-commerciale-atmosfera-vincolo-opportunita/
Redazione, “In Russia testato con successo innovativo propulsore missilistico ipersonico”. Sputnik Italia, 06 febbraio 2018
Redazione, “Zircon, il nuovo missile ipersonico russo otto volte più veloce del suono”. Il Primato Nazionale, 18 aprile 2017
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