I ricercatori dell’Università della Virginia stanno esplorando il potenziale dei jet ipersonici per i viaggi spaziali, utilizzando innovazioni nel controllo del motore e nelle tecniche di rilevamento. Il lavoro, supportato dalla NASA , mira a migliorare le prestazioni dello scramjet tramite sistemi di controllo adattivi e sensori ottici, portando potenzialmente a veicoli di accesso allo spazio più sicuri ed efficienti che funzionano come aeromobili.
Il futuro dei viaggi spaziali: i jet ipersonici
Cosa succederebbe se il futuro dei viaggi spaziali assomigliasse meno al razzo Starship di Space-X e più all’“Hyper-X” della NASA, l’aereo a reazione ipersonico che, 20 anni fa, volava più veloce di qualsiasi altro velivolo?
Nel 2004, i test finali del prototipo senza pilota X-43A della NASA hanno rappresentato una pietra miliare nell’ultima era dello sviluppo dei jet: il salto dai ramjet agli scramjet più veloci ed efficienti. L’ultimo test, nel novembre di quell’anno, ha segnato una velocità record mondiale che solo un razzo avrebbe potuto raggiungere in precedenza: Mach 10. La velocità equivale a 10 volte la velocità del suono.
La NASA ha raccolto molti dati utili dai test, così come fece l’Air Force sei anni dopo in test simili sull’X-51 Waverider, prima che i prototipi precipitassero nell’oceano.
Sebbene la prova di concetto ipersonica abbia avuto successo, la tecnologia era lungi dall’essere operativa. La sfida era ottenere il controllo del motore, perché la tecnologia si fondava su approcci basati su sensori vecchi di decenni.
Innovazioni nel controllo dei jet ipersonici
Il mese di giugno 2024, tuttavia, ha portato qualche speranza per potenziali successori della serie X-plane.
Come parte di un nuovo studio finanziato dalla NASA, i ricercatori della University of Virginia School of Engineering and Applied Science hanno pubblicato dati nella rivista Aerospace Science and Technology che hanno mostrato per la prima volta che il flusso d’aria nei motori a reazione supersonici può essere controllato da un sensore ottico. La scoperta potrebbe portare a una stabilizzazione più efficiente dei jet ipersonici.
Inoltre, i ricercatori hanno ottenuto il controllo adattivo di un motore scramjet, che rappresenta un altro primato per la propulsione ipersonica. I sistemi di controllo adattivo del motore rispondono ai cambiamenti nella dinamica per mantenere ottimali le prestazioni complessive del sistema.
“Una delle nostre priorità aerospaziali nazionali sin dagli anni ’60 è stata quella di costruire velivoli monostadio in orbita che volino nello Spazio con un decollo orizzontale come un aereo tradizionale e atterrino a terra come un aereo tradizionale“, ha affermato il professore Christopher Goyne, direttore del Laboratorio di ricerca aerospaziale UVA, dove ha avuto luogo la ricerca.
“Attualmente, il velivolo più all’avanguardia è lo SpaceX Starship. Ha due stadi, con lancio e atterraggio verticali. Ma per ottimizzare sicurezza, praticità e riutilizzabilità, la comunità aerospaziale vorrebbe costruire qualcosa di più simile a un 737″.
Goyne e la sua collaborazione, Chloe Dedic, Professoressa associata di UVA Engineering, credono che i sensori ottici potrebbero essere una parte importante dell’equazione di controllo.
“Ci è sembrato logico che se un aereo opera a velocità ipersoniche di Mach 5 e superiori, potrebbe essere preferibile incorporare sensori che funzionino a una velocità più vicina alla velocità della luce che a quella del suono“, ha affermato Goyne.
Altri membri del team sono il dottorando Max Chern, che è stato il primo autore dell’articolo, così come il ricercarore Andrew Wanchek, la dottoranda Laurie Elkowitz e lo scienziato senior dell’UVA Robert Rockwell. Il lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione ULI della NASA guidata dalla Purdue University.
La NASA ha cercato a lungo di prevenire qualcosa che può verificarsi nei motori scramjet chiamato “unstart“. Il termine indica un improvviso cambiamento nel flusso d’aria. Il nome deriva da una struttura di test specializzata chiamata galleria del vento supersonica, dove uno “start” significa che il vento ha raggiunto le condizioni supersoniche desiderate.
UVA dispone di diverse gallerie del vento supersoniche, inclusa la UVA Supersonic Combustion Facility, che può simulare le condizioni del motore dei jet ipersonici che viaggiani a cinque volte la velocità del suono.
“Possiamo eseguire condizioni di prova per ore, il che ci consente di sperimentare nuovi sensori di flusso e approcci di controllo su una geometria realistica dei jet ipersonici“, ha affermato Dedic. Goyne ha spiegato che gli “scramjet”, abbreviazione di motori a getto supersonico a combustione, si basano sulla tecnologia dei motori a getto, comunemente utilizzata da anni.
Conclusioni
Anche se resta ancora molto lavoro da fare, i sensori ottici potrebbero essere una componente del futuro che, secondo Goyne, sarà realizzato nel corso della sua vita: viaggi simili ad un aereo nello Spazio e ritorno.
Gli scramjet bimodali richiederebbero comunque una spinta di qualche tipo per portare l’aereo almeno a Mach 4, ma ci sarebbe la sicurezza aggiuntiva di non fare affidamento esclusivamente sulla tecnologia missilistica, che richiede il trasporto di carburante altamente infiammabile insieme a grandi quantità di sostanze chimiche.
Il peso ridotto dei jet ipersonici consentirebbe più spazio per i passeggeri e il carico utile. Un simile velivolo “tutto in uno“, che tornerebbe sulla Terra come un tempo facevano gli space shuttle, potrebbe addirittura offrire la combinazione ideale di economicità, sicurezza e riutilizzabilità.
“Penso che sia possibile, sì“, ha concluso Goyne: “Mentre l’industria spaziale commerciale è stata in grado di abbassare i costi attraverso una certa riutilizzabilità, non ha ancora catturato le operazioni simili a quelle degli aerei. Le nostre scoperte potrebbero potenzialmente basarsi sulla storia leggendaria di Hyper-X e rendere il suo accesso allo Spazio più sicuro dell’attuale tecnologia basata sui razzi”.
Lo studio è stato pubblicato su Aerospace Science and Technology.
