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Ripensare il viaggio ipersonico con il motore a detonazione ram‑rotor (RRDE)
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La terza generazione della propulsione aeronautica
Fin dal primo volo dei fratelli Wright, la propulsione aeronautica ha sfruttato l’accelerazione dell’aria per generare spinta. Inizialmente ciò avveniva mediante eliche sempre più grandi, utilizzate sugli aerei della prima e della seconda guerra mondiale.
Il passo successivo è stato il motore a getto, con il primo velivolo a propulsione jet, l’Heinkel He 178, lanciato nel 1939. In un motore a getto, le parti in movimento comprimono l’aria e iniettano carburante per creare un potente effetto di combustione, che viene poi indirizzato verso la turbina e l’ugello del getto per generare propulsione.
Fonte: Wikipedia
Questo è stato successivamente migliorato con il ramjet, dove il movimento dell’aereo crea la compressione dell’aria, consentendo velocità ancora più elevate. Superata una certa velocità, le parti in movimento di un turbojet si muoverebbero troppo rapidamente e si romperebbero. Il primo aereo a utilizzare un ramjet è stato il Leduc 0.10 nel 1949.
Fonte: Tech Brief
Esiste una versione migliorata del ramjet, chiamata scramjet (ramjet supersonico). Questo motore non necessita di rallentare l’aria in ingresso per la combustione, mantenendo invece un flusso supersonico e ottenendo una maggiore efficienza del carburante.
Gli scramjet sono stati concettualizzati già nel 1958, ma sono stati messi alla prova solo nel 2001 con l’X‑43A della NASA. Tre anni dopo, l’aereo sperimentale ha raggiunto velocità di Mach 6.8 (5 217 mph o 8 396 km/h) e Mach 9.6 (7 366 mph o 11 854 km/h).
Questo è stato impressionante, ma la tecnologia dei jet sta raggiungendo i propri limiti, in modo analogo a come le eliche dei primi anni del XX secolo non potevano superare una certa velocità.
Per questo scienziati e ingegneri stanno studiando un concetto completamente diverso: i motori a detonazione rotante.
Motori a detonazione rotante
Dal punto di vista termodinamico, la detonazione può essere più efficiente della deflagrazione, cioè la combustione convenzionale. In teoria potrebbe quindi consentire un uso più efficiente del carburante o velocità di volo superiori.
Naturalmente, sfruttare esplosioni per produrre spinta in un motore aeronautico senza distruggerlo durante il volo è molto più difficile.
In un motore a detonazione rotante, onde di detonazione si propagano continuamente attorno a una camera di combustione anulare. L’elevata frequenza delle detonazioni genera una spinta quasi continua.
Un motore di questo tipo è stato testato con successo nel 2020 da ricercatori della University of Central Florida usando propellenti a idrogeno e ossigeno.
Si prevede che questo tipo di motore possa essere fino al 25% più efficiente dei motori a getto convenzionali. Alcune configurazioni possono inoltre ridurre la necessità di un grande compressore a monte della camera di combustione, con risparmi di peso che migliorerebbero ulteriormente l’efficienza complessiva.
Questi motori sono diventati realizzabili solo di recente grazie a materiali avanzati. Il principale limite era resistere contemporaneamente a temperature estreme, onde d’urto continue e flussi ricchi di ossigeno.
Un ramjet a detonazione?
Una difficoltà dei motori a detonazione rotante è l’efficienza a pressione atmosferica. Alcune configurazioni possono richiedere condizioni di ingresso ottenibili a velocità supersoniche o ipersoniche, analogamente a ramjet e scramjet.
Sta ora emergendo un concetto ancora più avanzato: il motore a detonazione ram-rotor. È stato sviluppato da scienziati della School of Aerospace Engineering dell’Università Tsinghua di Pechino. Il lavoro è apparso sul Chinese Journal of Aeronautics con il titolo “Primary Investigation on Ram-Rotor Detonation Engine”.
Motore a detonazione ram‑rotor (RRDE)
L’idea centrale del RRDE è stabilizzare la detonazione all’interno di un rotore ad alta velocità. Il canale di flusso comprime la miscela aria-carburante per ottenere condizioni adatte alla detonazione a diverse velocità di ingresso.
L’onda di detonazione viene mantenuta in posizione bilanciando le velocità relative dell’aria in ingresso e dei gas in espansione e delle onde d’urto diretti verso lo scarico.
In questo modo l’onda rimane stazionaria rispetto alle pale.
Vantaggi del RRDE
Flessibilità
Poiché può modulare la compressione dell’aria, il motore si comporta più come un turbogetto tradizionale che come un ramjet, il quale dipende dalla velocità dell’aereo per comprimere l’aria.
In teoria il RRDE potrebbe quindi operare a diverse velocità come motore autonomo. Richiederebbe componenti di aspirazione e scarico adeguati, come diffusori regolabili, palette direttrici e ugelli, per ampliare le condizioni di funzionamento stabile.
Potrebbe anche essere abbinato a un turbogetto, come avviene in molti progetti attuali di ramjet e scramjet.
Motori per aerei ipersonici
Per definizione, le onde di detonazione viaggiano più velocemente del suono, spesso molto più velocemente. Si prevede che il RRDE possa generare onde stabili con un numero di Mach compreso tra 4 e 6 rispetto al flusso in ingresso.
Ciò potrebbe consentire a velivoli con RRDE di raggiungere velocità ipersoniche superiori a Mach 5 (3 836 mph / 6 174 km/h), con un’efficienza notevolmente maggiore rispetto ad altri motori a detonazione.
Una maggiore efficienza ridurrebbe i costi del carburante e permetterebbe di aumentare l’autonomia a parità di carburante. In alternativa, si potrebbe aumentare il carico utile a parità di autonomia, trasportando meno carburante.
Dalla teoria alla pratica
Finora il RRDE esiste soltanto come progetto, valutato mediante analisi teoriche e simulazioni.
La strada verso un prototipo funzionante è quindi ancora lunga, e quella verso la produzione commerciale di massa lo è ancora di più.
Occorrerà risolvere problemi reali che le simulazioni potrebbero non aver considerato. Per i motori a detonazione rotante è servito molto tempo per mantenere un’onda stabile in un canale anulare fisso. Farlo all’interno di un rotore ad alta velocità sarà ancora più difficile.
Le pale del rotore dovranno essere sufficientemente leggere da ruotare rapidamente ed efficientemente, ma anche abbastanza robuste da gestire flussi d’aria di ingresso ipersonici … così come continue detonazioni esplosive tra le pale.
Un’azienda attiva nei motori a detonazione rotante
Finora gran parte della ricerca su questi motori è stata svolta da istituti pubblici, soprattutto agenzie spaziali e militari, tra cui NASA, US Air Force, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) ed Energomash in Russia.
Esiste però anche un’azienda privata che ha dimostrato nel 2023 la capacità di realizzare un motore a detonazione rotante: General Electric (GE.TO ).
GE Grafico dei prezzi
GE Aerospace deriva dalla separazione del conglomerato GE in tre attività, completata nel 2024: GE Aerospace (GE ), GE HealthCare (GEHC ) e GE Vernova, attiva nell’energia (GEV ).
L’obiettivo era riportare l’attenzione sulle competenze principali dopo decenni di finanziarizzazione che, secondo la valutazione dell’articolo, avevano finito per danneggiare il gruppo.
L’azienda è un importante fornitore dell’industria aeronautica. Ogni anno circa 3 miliardi di persone viaggiano utilizzando tecnologie GE Aerospace, mentre in ogni momento circa 900,000 persone volano su aerei con motori GE: 3 voli commerciali su 4. Questa presenza si basa su una gamma di motori per velivoli di diverse dimensioni e impieghi.
Fonte: GE Aerospace
A lungo termine, questa gamma dovrebbe essere sostituita da una nuova generazione più efficiente grazie a investimenti continuativi in R&D. I miglioramenti previsti nel consumo di carburante sono del 10-15% per gli aerei civili e fino al 25% per quelli militari.
Fonte: GE Aerospace
Oltre ai motori, l’azienda offre tecnologie al carburo di silicio per i sistemi elettrici e avionica, cioè elettronica e computer di bordo.
GE è da tempo un leader nei sistemi di propulsione aeronautica. Il settore civile rappresenta la parte maggiore dell’attività, con $23.9B di ricavi nel 2023, seguito dalla difesa con $9B.
Il 70% dei ricavi deriva dai servizi, soprattutto manutenzione e riparazione dei motori, che forniscono entrate relativamente stabili.
Fonte: GE Aerospace
Per mantenere il vantaggio competitivo, l’azienda investe in tecnologie future, tra cui la stampa 3D tramite GE Additive. L’articolo la descrive come l’unico produttore di apparecchiature originali per la manifattura additiva dei metalli con una soluzione completa dall’inizio alla fine del processo.
Fonte: GE Aerospace
Motore a detonazione rotante di GE
Come già discusso, GE ha anche realizzato il primo test al mondo su banco di un ramjet ipersonico a doppia modalità (DMRJ) con combustione a detonazione rotante (RDC) in un flusso supersonico.
Il risultato è stato possibile grazie alle competenze di GE nei compositi a matrice ceramica per alte temperature, nell’elettronica di potenza al carburo di silicio, nelle tecnologie additive e nella gestione termica avanzata.
“I risultati significativi ottenuti finora ci danno fiducia nel fatto che stiamo procedendo nella giusta direzione.
Il team si è mosso molto rapidamente: la dimostrazione del DMRJ con RDC ha richiesto soltanto 12 mesi dall’inizio alla fine. Siamo in linea con l’obiettivo di dimostrare l’anno prossimo un DMRJ completo con RDC su scala rappresentativa.”
Motori ipersonici di questo tipo potrebbero essere impiegati inizialmente in applicazioni militari avanzate, dagli aerei da combattimento ai missili. In futuro potrebbero arrivare anche sugli aerei civili ipersonici. La presenza di GE in entrambi i mercati potrebbe aiutarla a sfruttare questa tecnologia emergente.
Dopo un lungo periodo come conglomerato privo di una direzione chiara e concentrato sull’ingegneria finanziaria, GE sembra quindi tornare verso un ruolo centrale nell’ingegneria e nella manifattura statunitensi, mentre crescono le tendenze alla reindustrializzazione e al rientro delle produzioni dall’estero.
