Ecco perché i missili ipersonici sono una vera e propria rivoluzione

Gordog
moonofalabama.org

Gli Americani quando parlano delle armi ipersoniche della Russia ormai gridano ‘mi arrendo.’ Dopo il recente test di volo del missile da crociera Zircon, con propulsione a scramjet, il Washington Post dell’11 luglio aveva riportato una dichiarazione della NATO:

“I nuovi missili ipersonici della Russia sono altamente destabilizzanti e pongono rischi significativi per la sicurezza e la stabilità in tutta l’area euro-atlantica,” affermava il comunicato.

Allo stesso tempo, sono iniziati i colloqui sul “dialogo strategico” tra Russia e Stati Uniti, com’era stato concordato al vertice di Ginevra del 16 giugno tra i due presidenti. Le due parti avevano già deciso di estendere il trattato START sulle armi strategiche che era rimasto in vigore per un decennio, ma, in particolare, era stata la parte statunitense ad aver richiesto il vertice – forse spronata dal dispiegamento del missile ipersonico intercontinentale Avangard, avvenuto nel 2019, quando i controllori statunitensi avevano ispezionato, come previsto dal Trattato da START, l’Avangard mentre veniva calato nel suo silos missilistico.

Ma cosa sono esattamente i missili ipersonici e perché, di colpo, sono diventati un problema così grande?

Ricordiamo tutti quando Vladimir Putin aveva annunciato queste armi delle meraviglie nel suo discorso del marzo 2018 alla nazione [e al mondo]. La risposta dei media statunitensi era stata una crassa risata sui cartoni animati realizzati con la grafica computerizzata e sui “pii desideri” dei Russi. Bene, adesso la Nato e il team Biden non ridono più. Come nelle cinque fasi del dolore, la fase iniziale di negazione ha lentamente ceduto il passo all’accettazione della realtà, visto che la Russia continua a schierare missili già operativi, come l’Avangard e il Kinzhal, ora anche in Siria, oltre a terminare con successo le prove di idoneità dello Zircon, che sarà imbarcato su navi di superficie e sottomarini a partire dai primi mesi del 2022. E, in effetti, c’è tutta una serie di nuovi missili ipersonici russi in cantiere, alcuni dei quali molto più piccoli e in grado di essere trasportati da normali jet da combattimento, come il Gremlin, detto anche GZUR.

Il termine stesso ipersonico indica un regime di volo al di sopra di Mach 5. Questo concetto è abbastanza semplice, ma non si tratta solo di velocità. Più importante è la capacità di MANOVRA a quelle alte velocità, per evitare di essere abbattuti dalle difese aeree avversarie. Un missile balistico può andare molto più veloce – un ICBM vola a circa 6-7 km/s, circa 15.000 mph [24.140 km/h], circa M 25 in atmosfera. [Il numero di Mach varia con la temperatura, quindi non è una misura assoluta della velocità. Le stesse 15.000 mph equivarrebbero a soli M 20 a livello del mare, dove la temperatura è più alta e anche la velocità del suono è più alta].
Ma un missile balistico vola su una traiettoria diretta, proprio come un proiettile sparato dalla canna di un cannone e non può cambiare direzione, da qui il termine balistico.

Questo significa che i missili balistici possono, in teoria, essere tracciati dal radar e abbattuti dai missili intercettori. Bisogna comunque notare che anche questo è un compito molto difficile, nonostante la traiettoria balistica lineare. Una tale intercettazione non è mai stata dimostrata in combattimento, nemmeno con missili balistici a raggio intermedio [IRBM], del tipo che la DPRK ha lanciato numerose volte, facendoli passare proprio sopra la testa della flotta statunitense del Pacifico di stanza nel Mar del Giappone, composta da oltre una dozzina di navi per la Ballistic Missile Defense di classe Aegis, progettate proprio per abbattere gli IRBM.

Una tale intercettazione sarebbe stata una dimostrazione storica di tecnologia militare, al livello dello shock and awe di Hiroshima! Ma nessuna intercettazione è mai stata tentata da quelle navi per la ‘difesa dai missili balistici’, che si sono limitate a guardare,  proprio sotto le traiettorie di volo dei missili nordcoreani!

La conclusione è che colpire anche un solo missile balistico a traiettoria lineare non è mai stato dimostrato con successo nella pratica. È una cosa molto difficile da fare.

Considerate che un moderno fucile da combattimento con cartuccia ad alta velocità può sparare un proiettile ad una velocità di circa 1.200 metri al secondo [1,2 km/s]. Questo è appena un quinto della velocità di una testata ICBM e circa solo la metà della velocità di un missile balistico a corto o medio raggio. Chiaramente, intercettare qualcosa che vola ad una velocità doppia o anche quintupla di quella di un proiettile di fucile sarebbe un compito arduo. [Si noti, dalla nostra precedente discussione sulla corsa allo spazio e sui tecnicismi del volo orbitale, che l’ICBM non raggiunge la velocità orbitale, ma vola su una traiettoria suborbitale, anche se esce dall’atmosfera].

Tra le due, velocità e manovra, la seconda è molto più efficace nell’eludere l’intercettazione difensiva.

Lo sappiamo da molti risultati reali sul campo di battaglia. Quando gli Stati Uniti avevano lanciato una grande salva di missili da crociera subsonici Tomahawk contro la Siria nel 2017, e di nuovo nel 2018, un certo numero era stato intercettato dalle difese aeree siriane. Ma non tutti. Molti erano riusciti a passare nonostante la velocità relativamente bassa del T-Hawk di circa 500 mph, che è solo circa M 0,7. Ma la capacità del missile da crociera di volare a bassa quota e di manovrare in volo, cambiando costantemente direzione, lo rende un bersaglio difficile da colpire. Allo stesso modo, nella guerra delle Falkland, gli Argentini avevano usato missili da crociera subsonici e a corto raggio, di fabbricazione francese, gli Exocet, per affondare diverse grandi navi da guerra britanniche, tra cui un cacciatorpediniere della Royal Navy ,l’HMS Sheffield, allora all’avanguardia.

Anche i cacciatori lo sanno, e usano  fucili da caccia che disperdono una rosa pallini su una vasta area piuttosto che fucili a proiettili per abbattere uccelli terrestri e acquatici che volano lentamente ma che cambiano direzione! Ovviamente, se combinate l’alta velocità CON la manovrabilità, avrete un missile che sarà molto difficile da intercettare. [Se non impossibile, se parliamo dell’Avangard, che raggiunge velocità da ICBM fino a M 25!]

Ma abbassiamo un po’ il tiro, tralasciamo gli ICBM e gli IRBM [e anche i missili da crociera subsonici] e parliamo di una tecnologia missilistica piuttosto antica, lo Scud di epoca sovietica, introdotto in servizio per la prima volta nel 1957! Un caso recente, quello di un missile Scud lanciato dagli Houthi contro l’Arabia Saudita nel dicembre 2017 mostra quanto sia davvero difficile l’intercettazione dei missili:

Intorno alle 21… una forte esplosione ha scosso il terminal interno dell’aeroporto internazionale King Khalid di Riyadh.

‘C’è stata un’esplosione all’aeroporto’, ha detto un uomo in un video ripreso pochi istanti dopo la deflagrazione. Lui e altri si sono precipitati alle finestre mentre i veicoli di emergenza si riversavano sulla pista.

Un altro video, ripreso dalla pista, mostra i veicoli di emergenza alla fine della pista. Appena più il là si intravede un pennacchio di fumo, che conferma l’esplosione e indica un probabile punto di impatto.

Il missile Houthi, identificato come un Burqan-2 di fabbricazione iraniana [una copia di uno Scud nordcoreano, a sua volta una copia di una copia cinese dell’originale Scud russo degli anni ’60], aveva volato per oltre 600 miglia prima di colpire l’aeroporto internazionale di Riyadh. Il sistema di difesa missilistica statunitense Patriot aveva lanciato CINQUE missili intercettori contro lo Scud e tutti avevano mancato il bersaglio!

Laura Grego, un’esperta di missili dell’Union of Concerned Scientists, ha espresso allarme per il fatto che le batterie di difesa saudite avevano fatto fuoco cinque volte contro il missile in arrivo.

“Avete lanciato cinque missili contro questo Scud e tutti hanno mancato? Questo è scioccante“, ha detto. “E’ scioccante perché si suppone che questo sistema funzioni.”

La signora Grego sa di cosa sta parlando – ha un dottorato in fisica al Caltech e ha lavorato nella tecnologia missilistica per molti anni. Non sorprende che i funzionari americani avessero inizialmente affermato che i missili Patriot avevano fatto il loro lavoro e abbattuto lo Scud. Questa affermazione era stata sfatata in modo convincente in un’approfondita analisi di esperti pubblicata sul NYT: La difesa missilistica americana ha fallito in Arabia Saudita?

Non era la prima volta che i Patriot per la “difesa missilistica” fallivano in modo spettacolare contro un missile teoricamente obsoleto:

Il 25 febbraio 1991, uno Scud iracheno aveva colpito la caserma di Dharan, in Arabia Saudita, uccidendo 28 soldati del 14° Quartermaster Detachment dell’esercito americano.

Un’indagine governativa aveva rivelato che la mancata intercettazione a Dhahran era stata causata da un errore del software addetto alla gestione del timestamp del sistema. La batteria di missili Patriot a Dhahran era stata in funzione per 100 ore e, a quel punto, l’orologio interno del sistema faceva errore di circa un terzo di secondo. A causa della velocità del missile, questo equivaleva a una distanza di errore di 600 metri.

Che questa spiegazione sia vera o no, le affermazioni iniziali degli Americani di un completo successo nell’abbattimenti di quasi tutti gli 80 Scud iracheni lanciati, erano state sfatate dal fisico del MIT Theodore Postol, che aveva concluso che, in realtà, non era stato intercettato nessun missile!

Come avevano sottolineato gli esperti del NYT:

Abbattere i missili Scud è difficile, e, in passato, i governi hanno erroneamente rivendicato di aver avuto successo contro di essi.

In passato, i governi avevano sopravvalutato l’efficacia delle difese missilistiche, anche contro gli Scud. Durante la Prima Guerra del Golfo, gli Stati Uniti avevano rivendicato un record quasi perfetto nell’abbattimento delle varianti irachene dello Scud. Analisi successive avevano scoperto che quasi tutte le intercettazioni erano fallite.

Perché abbattere gli Scud è così difficile? Perché questo è stato probabilmente il primo missile ipersonico del mondo [vola a M 5 ed è in grado di MANOVRARE!].

Se diamo un’occhiata più da vicino a questo missile, vediamo che rimane sotto spinta per quasi tutto il tempo di volo. Questa è la chiave. La testata si separa dal corpo del missile solo poche miglia [pochi secondi], prima dell’obiettivo. Il corpo del missile contiene un meccanismo che gli consente di manovrare, per mezzo di palette di grafite che si muovono all’interno del flusso di scarico del motore a razzo, come si vede in figura. Così, mentre entra nella fase terminale del volo, si muoverà in modo elusivo, diventando un bersaglio molto difficile da tracciare con il radar e da abbattere!

Una volta che la testata si è separata, il corpo del missile esaurito precipita a terra senza far danni, com’era successo appena fuori dall’aeroporto di Riyadh, quando era caduto su una strada. È questo corpo inerte in caduta libera che potrebbe essere agganciato dai radar della difesa aerea e colpito dai missili intercettori, mentre la testata esplosiva vera e propria passa tranquillamente sulla verticale [del sistema intercettore].

L’unico vero problema di quei vecchi Scud era la precisione. Potevano sballare di centinaia di metri. Ma, naturalmente, da allora la precisione e i sistemi di guida dei missili hanno fatto molta strada. Il moderno successore dello Scud, l’Iskander russo, che può essere lanciato da un camion, ha una precisione di circa 5 metri! In realtà, anche questo è un missile ipersonico che raggiunge M 7, ma ha una portata di soli 500 km, una limitazione imposta dall’ormai defunto trattato INF, dal quale l’amministrazione Trump si era unilateralmente ritirata.

L’Iskander-M russo viaggia ad una velocità ipersonica di 2.100-2.600 m/s [Mach 6-7] ad un’altezza di 50 km. L’Iskander-M pesa 4.615 kg e porta una testata di 710-800 kg, ha una gittata di 480 km e un CEP [errore circolare probabile] di 5-7 metri. Durante il volo può manovrare a diverse altitudini e traiettorie per eludere i missili anti-balistici.

L’Iskander è generalmente descritto, almeno in Occidente, come un missile “quasi-balistico.” Ma ‘quasi’ o no, gli Stati Uniti considerano l’Iskander un’arma molto pericolosa, e un tipo di arma che non possiedono ancora. In effetti, i tentativi degli Stati Uniti di sviluppare il loro primo missile ipersonico sono stati piuttosto lenti. Nel primo tentativo di test di volo, nell’aprile di quest’anno, il prototipo Lockheed-Martin AGM183 [alias ARRW], non era riuscito nemmeno a sganciarsi dall’ala del vettore, un B52! Nel secondo tentativo, il 29 luglio, il missile è riuscito a sganciarsi ma il motore non si è acceso!

Chiaramente, gli Stati Uniti sono lontani molti anni dal mettere in campo un missile ipersonico funzionante. Questi primi test dovevano solo testare motore del razzo, che trasportava un “veicolo di rientro planante” fittizio che avrebbe dovuto separarsi dal razzo una volta raggiunta una velocità di circa M 6, per poi planare verso il suo obiettivo manovrando.

Il prototipo del missile avrebbe dovuto trasportare un fac-simile frangibile del veicolo [di planata], destinato a disintegrarsi dopo il rilascio.

Tuttavia, non è chiaro come un corpo planante non motorizzato possa compiere manovre aerodinamiche all’interno dell’atmosfera. Il concetto di boost-glide, che è usato da Avangard, è quello di portare il veicolo da planata sopra l’atmosfera, alla velocità dell’ICBM, a quella quota l'”aliante” può scivolare sugli strati superiori dell’atmosfera proprio come un sasso piatto lanciato a pelo d’acqua.

Il raggio d’azione dichiarato dell’AGM183 è di 1.000 miglia [1.600 km]. Chiaramente un missile a così corto raggio, e che raggiunge una velocità massima di solo circa M 8 [calcolo basato sull’affermazione che raggiungerebbe il proprio obiettivo in 10-12 minuti] non sarà in grado di utilizzare un mezzo di rientro a planata manovrabile, che richiede l’uscita dall’atmosfera.

Analisi tecnica del sistema (se non vi piacciono i dettagli tecnici, saltate direttamente alle conclusioni).

Diamo quindi un’occhiata alla tecnologia ipersonica russa un po’ più in dettaglio, in modo da poter capire qualcosa di più di quello che ci dicono i media, di solito tecnicamente poco esperti. Da ciò che l’esercito russo ha già messo in campo, possiamo vedere che i missili ipersonici sono disponibili in tutte le forme e dimensioni. Alcuni, come Avangard,vengono lanciati da potenti razzi ICBM e hanno una portata simile a quella di un ICBM. Altri, come Zircon, sono più simili ad un missile da crociera Tomahawk o Kalibr, alimentati da un motore atmosferico e in grado di manovrare aerodinamicamente durante il loro volo verso il bersaglio, ma con una velocità dieci volte maggiore.

Altri, come il Kinzhal, che sembra essere un’evoluzione dell’Iskander [a sua volta un’evoluzione dello Scud] sono alimentati da razzi relativamente piccoli e sono progettati per manovrare in modo gas-dinamico [vettorizzazione della spinta], di nuovo, durante tutte le fasi del volo, fino all’obiettivo.

Questi sono i tre tipi principali ai fini della classificazione di base. Volano tutti molto veloci [fino a M 25 per l’Avangard], ma usano diversi sistemi di propulsione e diversi mezzi di manovra. Cominciamo con il Kinzhal, dato che abbiamo già capito le basi di funzionamento dello Scud o dell’Iskander. Il Kinzhal, viene lanciato a velocità elevata e da grande altezza da un aereo intercettore MiG31, che è progettato per volare fino a 1.500 km ad una velocità di crociera di M 2,4 e ad una quota di circa 20 km.

Anche un Iskander non modificato portato a quella velocità e a quella altezza, potrebbe facilmente raddoppiare il suo raggio d’azione, arrivando fino a circa 1.000 km, poiché l’energia chimica del razzo richiesta per raggiungere quell’altezza e quella velocità verrebbe risparmiata e potrebbe essere utilizzata per aumentare il suo raggio di volo.

Il raggio d’azione stimato per il Kinzhal è di 2.000 km, ma non è chiaro se questo include il raggio di volo del vettore da trasporto, il MiG31. La mia ipotesi è che sia così. Il MiG ha un raggio di combattimento di oltre 700 km alla sua velocità di crociera M 2.4. Ciò significa che, dopo il rilascio, il Kinzhal potrebbe volare per circa 1.300 km prima di colpire il suo obiettivo, con una portata complessiva del sistema di 2.000 km. In realtà, il MiG potrebbe volare per gran parte del percorso in modalità subsonica, risparmiando carburante, e accelerare fino alla velocità di crociera supersonica, o anche alla sua velocità massima di M 2,8, solo negli ultimi 200 km prima di lanciare il Kinzhal. Poi potrebbe invertire la rotta e ritornare alla base di nuovo in modo subsonico. Questo aumenterebbe ancora di più il raggio d’azione [del Kinzhal].

In entrambi i casi, si può scommettere che il raggio d’azione totale per colpire un obiettivo, ad esempio una portaerei statunitense, dal punto di decollo dei MiG [ora schierati anche in Siria], non sarebbe realisticamente meno dei 2.000 km dichiarati, probabilmente di più. Questa è certamente una enorme minaccia per il dominio navale degli Stati Uniti! Gli aerei basati sulle portaerei non avrebbero la possibilità di volare abbastanza lontano dalla loro piattaforma galleggiante per intercettare un MiG31 in grado di lanciare un Kinzhal a 1.000 km o più di distanza dalla nave. L’F/A-18 ha un raggio di combattimento per le missioni aria-aria di soli 740 km. Ovviamente, non sarebbe in grado di raggiungere un MiG che lancia da oltre 1.000 km di distanza.

Ora guardiamo il missile da crociera Zircon, di cui la NATO si lamenta tanto. Finora, questo missile è stato testato con successo su bersagli distanti fino a circa 450 km. Il Ministero della Difesa russo dice che il suo raggio d’azione è, in realtà, superiore a 1.000 km e che i test di volo alla massima distanza sono imminenti.

Anche questo cambia le carte in tavola. Lo Zircon verrà imbarcato sulla nuova classe di navi da guerra russe delle dimensioni di una fregata o di una “piccola cacciatorpediniere,” e anche sui nuovi sottomarini nucleari con missili da crociera di classe Yasen che stanno entrando ora in servizio. Questi sottomarini d’avanguardia trasporteranno anche missili da crociera subsonici Kalibr con una portata massima di 4.500 km! In combinazione con i Kinzhal aviolanciati, la Marina statunitense dovrà affrontare sfide molto dure, dall’aria, dal mare e anche da sotto il mare. Va notato che sia lo Zircon che il Kinzhal non sono esclusivamente missili antinave. Possono colpire altrettanto facilmente bersagli terrestri, compresi i centri di comando e controllo della NATO, cosa che Putin ha detto che la Russia farà, in caso di qualsiasi tipo di aggressione da parte dell’Occidente!

Ma lo Zircon è anche un tour de force tecnologico. La caratteristica unica dello Zircon è il suo motore scramjet. Questa è la prima volta al mondo che viene prodotto un motore di questo tipo,  un obiettivo inseguito a lungo sia dagli Stati Uniti che dalla Russia.

Non sorprende che, nel 1991, i Russi, per primi al mondo, avessero fatto volare un prototipo di scramjet, il Kholod, che significa “freddo” in russo. Incredibilmente, nell’atmosfera di distensione della presidenza Eltsin, nei primi anni novanta, gli sviluppatori russi del primo motore scramjet funzionante al mondo (i ricercatori dell’Istituto Centrale dei Motori dell’Aviazione [CIAM]) avevano invitato la Nasa a partecipare ai test di volo presso il poligono di Sary Shagan in Kazakistan. I risultati erano stati pubblicati nella letteratura professionale statunitense, qui e qui.

Ma, nonostante questa spinta tecnologica da parte della Russia, gli Stati Uniti non erano stati in grado di tenere il passo. I loro esperimenti con i motori scramjet, anche se iperpubblicizzati dai media, erano rimasti dormienti per diversi anni. Sembra che gli Stati Uniti, per il momento, abbiano rinunciato all’idea di costruire un motore scramjet funzionante, così come avevano rinunciato, decenni fa, all’idea di costruire un motore a razzo a ciclo chiuso, avendo ritenuto la tecnologia “irrealizzabile.”

Cos’è quindi un motore scramjet? Per capirlo appieno, diamo prima un’occhiata a come funziona un motore a turbogetto. L’immagine qui sopra vale più di mille parole. L’aria entra nella parte anteriore del motore e viene compressa in più passaggi da una serie di pale rotanti, simili a ventole o eliche. L’aria così compressa viene poi spinta nel bruciatore o camera di combustione, dove viene nebulizzato il combustibile e il risultato è un gas ad alta temperatura e ad alta pressione che poi aziona le ruote della turbina, che hanno palette simili a quelle del compressore situato nella parte anteriore.

Le palette della turbina e quelle dello stadio di compressione sono sullo stesso albero e ruotano alla stessa velocità, è quindi l’energia del gas che aziona la turbina che, a sua volta, aziona il compressore. L’energia in eccesso nel gas viene fatta fuoriuscire attraverso un ugello, che accelera il flusso di gas, il quale, a sua volta, crea la spinta in base al principio della Terza Legge di Newton, azione-reazione. La forza generata dal flusso della massa di gas in rapido movimento fuori dall’ugello deve essere compensata da una forza di REAZIONE nella direzione opposta [spinta in avanti], secondo il principio di conservazione della quantità di moto. Quindi, tutti i motori jet, sia atmosferici che a razzo, sono chiamati motori a reazione.

[Per inciso, il cuore di qualsiasi motore a razzo a combustibile liquido è una turbopompa, che è fondamentalmente una turbina a gas. Ha una camera di combustione, dove viene bruciata una certa quantità di combustibile insieme all’ossidante, il getto di gas incandescente fa girare una turbina, che, a sua volta, aziona due pompe (compressori) che pressurizzano l’ossidante e il combustibile, che viene poi consegnato alla camera di combustione principale a notevole pressione].

Ora, cosa succede quando si vuole andare molto veloci con un motore a turbogetto? Beh, fondamentalmente ci si scontra con un muro, a causa della fisica del flusso d’aria. Più si va veloci, maggiore è la pressione ram sulla parte anteriore del motore. Questa pressione ram [tecnicamente chiamata pressione dinamica, o ‘Q’] è come l’energia cinetica: aumenta con il quadrato della velocità. [KE = M x V^2 / 2; Q = rho x V^2 / 2; sono la stessa cosa tranne che la massa è sostituita dalla densità, rho, dato che abbiamo a che fare con un fluido che scorre invece di una particella solida!]

In termini semplici, la pressione dinamica [la pressione ram] è quella che sentite sulla mano quando la mettete fuori dal finestrino dell’auto mentre guidate in autostrada.

Il risultato di questo aumento quadratico della pressione con la velocità è notevole! Alla tipica velocità di crociera di un jet passeggeri, 450 nodi, o M 0,8, l’aumento di pressione per effetto ram, nella parte anteriore delle ventole del motore, è di circa 1,5. Inoltre, l’ingresso del motore deve RALLENTARE il flusso d’aria a circa M 0,5, in modo che le pale rotanti possano lavorare in modo efficiente.

Se si aumenta la velocità di volo a M 2, l’aumento di pressione sulla superficie anteriore del motore dovuto all’effetto ram sarà sette volte maggiore! A quella velocità, non c’è nemmeno bisogno di un compressore o di turbine.

Questa è l’idea del motore a ramjet: non c’è bisogno di parti mobili, solo di un ingresso dell’aria progettato per rallentare il flusso al di sotto della velocità sonica, trasformando l’energia cinetica in energia di pressione. La camera di combustione è semplicemente un tubo con gli iniettori del carburante, dove l’aria compressa viene bruciata insieme al carburante e poi espulsa attraverso un ugello, esattamente come nel turbogetto. Infatti il postbruciatore sui jet da combattimento supersonici funziona esattamente come un motore a ramjet – il carburante viene spruzzato e brucia con l’aria che era stata utilizzata per il raffreddamento delle pareti della camera di combustione a monte [solo una piccola quantità di aria viene bruciata in un motore a turbogetto, con rapporti aria-combustibile di oltre 50, rispetto ai circa 15 di un motore automobilistico]. Questa illustrazione di un postbruciatore ne mostra la semplice geometria di base.

Ma anche il ramjet ha un limite di velocità, proprio come il turbogetto. In entrambi i casi, questo ha a che fare con la diminuzione dell’efficienza dell’aspirazione del motore alle velocità più elevate: [aumentando la velocità] sempre più energia cinetica del flusso d’aria in ingresso viene convertita in calore, piuttosto che in pressione utilizzabile. In un turbogetto, il limite di calore si raggiunge a circa Mach 3, quando la temperatura dell’aria in entrata supera il limite dei materiali utilizzati per le pale del compressore. Nel ramjet, eliminando quelle inutili palette e tutte le altre parti mobili, il limite di temperatura si alza ad un valore molto più elevato, per cui è possibile volare fino a circa Mach 5.

Al di sopra di queste velocità, il ramjet si trova di fronte ad un diverso tipo di problema. Man mano che la velocità continua ad aumentare, l’efficienza di trasformazione dell’energia cinetica in pressione continua a diminuire. Questa perdita di pressione è dovuta ad una serie di onde d’urto generate dal rallentamento del flusso d’aria nel condotto di ingresso del motore, a monte della camera di combustione. La più grande onda d’urto e la più grande perdita di pressione si hanno alla fine, quando il flusso passa ad una velocità inferiore a quella sonica. Questa è chiamata onda d’urto normale, perché è perpendicolare [normale] alla parete d’ingresso, come si vede in questa illustrazione di un ingresso supersonico e delle sue onde d’urto.

Quindi, il limite di velocità arriva perché la maggior parte della pressione ram non è recuperabile, viene semplicemente dissipata in calore dalle onde d’urto generate in ingresso.

Arriva lo scramjet. Qui, il flusso non è mai effettivamente rallentato al di sotto della velocità sonica. Il termine scramjet indica una combustione supersonica: il flusso d’aria attraverso la camera di combustione è ben al di sopra di Mach 1, forse più vicino a Mach 2. In confronto, il flusso in un turbogetto entra nel bruciatore ad appena M 0,2, dieci volte più lento, e nel postbruciatore e nel ramjet è circa M 0,5.

Questo risolve il problema del limite di velocità dovuto al fatto di non avere più energia di pressione disponibile. Ma questo si accompagna ad ENORMI sfide. Ad una velocità di volo di M 6 o 7, il velivolo si muove ad una velocità di circa 2.000 m/s. La sfida principale ora è la velocità del fronte di fiamma della combustione. Anche se ci volesse solo un centesimo di secondo per bruciare la miscela aria-carburante, occorrerebbe una camera di combustione lunga 20 metri! Questo è poco pratico, naturalmente, ma è in linea con la velocità di propagazione della fiamma del cherosene per aviazione. Ecco perché gli ugelli dei postbruciatori degli aerei supersonici sono lunghi diversi metri.

Così vediamo che i vari tipi di motore atmosferici, turbogetto, ramjet e scramjet, hanno un proprio limite di velocità, come mostrato graficamente in figura. Anche lo scramjet si scontrerà con un muro, ad un certo punto. L’asse verticale è l’impulso specifico [ISP], in pratica l’efficienza del motore in rapporto alla massa del carburante bruciato. Vediamo che l’ISP diminuisce con la velocità, in qualsiasi tipo di motore, questo significa semplicemente che il consumo di carburante aumenta molto più velocemente della velocità di volo!

Ma torniamo alla sfida principale dello scramjet, che è la velocità di propagazione della fiamma. Questo è strettamente un limite della fisica/chimica della combustione del carburante. L’idrogeno brucia dieci volte più velocemente del cherosene, ma non è un combustibile pratico, deve essere raffreddato vicino allo zero assoluto per essere liquido, e quindi non è immagazzinabile e, prima di essere lanciato, il missile avrebbe bisogno di un complicato rifornimento. Tutti i precedenti prototipi sperimentali di scramjet, sia statunitensi che russi, usavano combustibile criogenico ad idrogeno liquido. Ma lo Zircon usa un carburante innovativo a base di cherosene, che i Russi chiamano Detsilin-M.

Come i Russi siano riusciti a sintetizzare questo combustibile è ovviamente un segreto, ma è chiaramente un notevole passo avanti nell’ingegneria chimica, paragonabile al progresso nella scienza dei materiali che aveva portato al motore a razzo a ciclo chiuso, ricco di ossigeno, negli anni ’60 [che gli Stati Uniti non hanno ancora acquisito].

Conclusioni:

La linea di fondo è che lo Zircon rappresenta non solo un’arma formidabile e assai letale, ma è indicativo delle capacità ingegneristiche dell’industria aerospaziale russa. Si tratta di un risultato impressionante che è, di fatto, innovativo. Come già detto, lo Zircon è solo l’inizio dell’uso del motore scramjet da parte dell’esercito russo. La prossima generazione di tali missili, come il già menzionato Gremlin, sarà ancora più piccola e più capace in termini di portata e velocità. Ad un certo punto nel futuro, potremmo anche vedere motori scramjet su aerei civili superveloci, ma questo è probabilmente un traguardo ancora molto lontano.

Una realizzazione ingegneristica ancora più grande è il sorprendente veicolo di rientro planante di Avangard. Ma lascerò questa incredibile storia per un’altra discussione.

La linea di fondo è che queste nuove tecnologie russe stanno, di fatto, spostando l’equilibrio militare globale del prossimo futuro. Stanno cambiando le regole del gioco perché sono INARRESTABILI con la tecnologia di difesa aerea ODIERNA. Proprio come gli indiani delle pianure non potevano sperare di fermare con i loro archi e le loro frecce la cavalleria statunitense armata di fucili a ripetizione.

Ancora più profondo può essere l’effetto psicologico che le realizzazioni ingegneristiche della Russia eserciteranno sulla psiche americana, che è abituata a pensare di avere gli ingegneri più preparati e il miglior hardware militare.

È stato dimostrato che non è più così.

E questo potrebbe essere il più grande punto di svolta!

Gordog

Fonte: moonofalabama.org
Link: https://www.moonofalabama.org/2021/08/hypersonic-missiles-are-they-a-gamechanger-by-gordog.html#more
02.08.2021
Scelto e tradotto da Markus per comedonchisciotte.org