Gli americani ora ammettono il sorpasso operato dalla Russia con le armi ipersoniche. Dopo i più recenti test degli Zircon spinti da scramjet, il Washington Post dell’11 luglio ha riportato una dichiarazione [in inglese] della NATO:

…i nuovi missili ipersonici russi sono destabilizzanti e pongono un rischio significativo alla sicurezza ed alla stabilità in tutta l’area euro-atlantica.

Contemporaneamente si è iniziato a parlare di ‘dialogo strategico‘ [in inglese] tra  Stati Uniti e Russia così come concordato tra i due presidenti al summit di Ginevra del 16 giugno. Entrambi si sono detti concordi sul prolungare il decennale trattato START sulle armi strategiche. Si noti che sono stati gli Stati Uniti a proporre il summit, forse indotti proprio dal dispiegamento dei missili ipersonici intercontinentali Avangard nel 2019, quando gli ispettori americani, secondo quanto previsto dallo START, hanno ispezionato [in inglese] il sistema al momento della sua installazione nei silos.

Ma cos’è esattamente un missile ipersonico, e perché d’un tratto suscita così grandi preoccupazioni?

Tutti ricordiamo quando Putin annunciò [in inglese] queste armi prodigiose nel suo discorso alla nazione (e al mondo) del marzo 2018. I media americani risposero deridendole come animazioni in CGI [Computer-generated imagery, Immagini generate al computer] e velleità fantasiose dei russi. Ebbene, adesso sia la NATO sia Biden non hanno più di che ridere. Come nel caso delle cinque fasi del lutto, quella iniziale del rifiuto ha progressivamente fatto spazio all’accettazione della realtà. La Russia continua a schierare missili pienamente operativi in Siria come l’Avangard e il Kinzhal, quest’ultimo aviolanciato, e a completare con successo i test dello Zircon che dovrebbe diventare operativo sulle navi di superficie e sui sottomarini dall’inizio del 2022. In realtà la Russia ha in serbo un sacco di altri nuovi missili ipersonici, alcuni dei quali molto più piccoli, come il Gremlin [in inglese] conosciuto anche come GZUR, e trasportabili da normali cacciabombardieri.

Il termine ipersonico si riferisce a un regime di volo con una velocità superiore a Mach 5. Ma non si tratta semplicemente della velocità, bensì, e più importante, della capacità di MANOVRARE a quelle alte velocità, che consente di evitare di essere intercettati dalle difese aeree. Un missile balistico intercontinentale (ICBM) può viaggiare più velocemente (può volare a circa 6 o 7 km/s, che sono circa 24.000 chilometri l’ora, circa Mach 25, nell’atmosfera (il valore Mach varia a seconda della temperatura, pertanto non si tratta di un valore di misura della velocità assoluto. Gli stessi 24.000 chilometri l’ora corrisponderebbero a Mach 20 al livello del mare, dove la temperatura è più alta e la velocità del suono è pure più alta).

Ma un missile balistico [in italiano] segue una traiettoria lineare, proprio come un proiettile sparato dalla canna di una qualunque arma da fuoco, e come questo non può cambiare direzione, da cui la definizione “balistico”.

Ciò implica che un missile balistico, in teoria, può essere tracciato dai radar e abbattuto con un altro missile. Si noti che già questo è un compito arduo, a dispetto della traiettoria lineare. La possibilità di intercettare un missile balistico non è mai stata provata in situazioni reali di combattimento, nemmeno con i missili balistici di raggio intermedio (IRBM), del tipo che la Corea del Nord ha lanciato più volte nel Mar del Giappone sopra le teste della flotta americana del Pacifico, presenti più di una dozzina di navi di classe Aegis [in inglese] dotate di missili di difesa, progettati precisamente allo scopo di abbattere gli IRBM.

Una simile capacità d’intercettazione sarebbe stata una dimostrazione storica di tecnologia militare, al pari dello shock di Hiroshima! Ma l’intercettazione non è stata mai tentata da quelle navi da difesa antimissili balistici, che si sono limitate ad assistere dal basso al volo dei razzi nordcoreani!

Il succo della faccenda è che la capacità concreta di colpire anche un missile balistico dalla traiettoria lineare non è stata mai dimostrata con successo nella realtà pratica perché è molto difficile farla.

Un moderno fucile d’assalto con una cartuccia ad alta velocità può sparare un proiettile a circa 1.200 metri il secondo (1,2 chilometri/secondo). È appena un quinto della velocità di una testata intercontinentale balistica, e solo la metà circa di quella dei missili balistici a corto o medio raggio. È chiaro che intercettare qualunque cosa viaggi a due o cinque volte più veloce di un proiettile di fucile è un compito proibitivo (si rammenti, qui [in inglese] la precedente discussione sulla corsa allo spazio e altri tecnicismi dei voli orbitali, che gli ICBM non raggiungono la velocità orbitale ma volano su una traiettoria suborbitale, anche se escono dall’atmosfera).

Tra le due, velocità e manovrabilità, la seconda è molto più efficace per eludere i sistemi di difesa.

Lo sappiamo da diversi riscontri su reali campi di battaglia. Quando gli Stati Uniti lanciarono, in diverse salve, i missili cruise subsonici Tomahawk sulla Siria nel 2017 e nel 2018, un gran numero fu intercettato [in inglese] dalle difese aeree siriane, ma non tutti. Molti superarono le difese a dispetto della velocità relativamente bassa dei Tomahawk, circa 800 chilometri l’ora, che è solo circa Mach 0,7. Ma la capacità del missile cruise di volare radente al suolo e di manovrare in volo, con continui cambi di direzione, ne fa un bersaglio difficile. Anche durante la guerra delle Falkland, gli argentini usarono i francesi Exocet, missili subsonici di raggio piuttosto corto che volano a pelo d’acqua, per affondare diverse grosse navi da guerra britanniche, incluso [in inglese] il cacciatorpediniere HMS Sheffield, che all’epoca era lo stato dell’arte della marina britannica.

Anche i cacciatori lo sanno e, infatti, usano i pallettoni che si spargono su una vasta area piuttosto che un singolo proiettile, per abbattere uccelli, sia terricoli sia acquatici, che anche se non hanno un volo veloce, possono manovrare. Ovviamente, combinando alta velocità e manovrabilità si ottiene un missile che sarà veramente difficile da fermare (se non impossibile, come l’Avangard che raggiunge la velocità degli ICBM fino a Mach 25!)

Ma abbassiamo un po’ lo sguardo dagli ICBM e IRBM [e anche dai missili da crociera subsonici] verso una tecnologia missilistica piuttosto antica, gli Scud dell’era sovietica, messi in servizio nel 1957! Un caso recente di un missile Scud degli Houthi lanciato contro l’Arabia Saudita nel 2017 dimostra [in inglese] come sia proprio realmente difficile intercettare tali missili:

Circa alle 21:00, un forte rumore ha scosso il terminal interno dell’aeroporto internazionale di Riad, King Khalid.

“C’è stata un’esplosione all’aeroporto” ha detto un uomo in un video raccolto pochi momenti dopo il rumore. Lui e gli altri si sono precipitati alle finestre mentre i mezzi di emergenza affluivano sulla pista di decollo.

In un altro video, girato dalla pista, si vedono i mezzi di emergenza alla fine della pista. Appena dietro di loro c’è una colonna di fumo, che conferma lo scoppio e indica il probabile punto d’impatto.

Il missile Houthi, identificato come un Burqan-2 di fabbricazione iraniana [una copia dello Scud nordcoreano, esso stesso una copia della copia cinese dell’originale Scud russo degli anni ‘60], aveva volato quasi 1.000 chilometri prima di colpire l’aeroporto internazionale di Riad:

 Il sistema di difesa missilistica Patriot, prodotto negli Stati Uniti, aveva lanciato [in inglese] CINQUE missili per intercettare il missile, e tutti avevano mancato il bersaglio!

Laura Grego, un’esperta di missili presso la “Union of Concerned Scientists”, ha espresso allarme rispetto al fatto che le batterie di difesa saudite abbiano sparato cinque volte al missile in avvicinamento.

“Spari cinque volte a questo missile e tutte le volte lo manchi? Questo è scioccante” ha detto. “È scioccante perché si suppone che questo sistema funzioni”.

La signora Grego sa di cosa sta parlando, ha una laurea in fisica al Caltech e ha lavorato nella tecnologia missilistica per molti anni. Non sorprendentemente, gli ufficiali americani hanno prima dichiarato che i missili Patriot avevano fatto il loro lavoro e avevano abbattuto lo Scud. Questo è stato confutato in maniera convincente nelle dettagliate analisi [in inglese] svolte dal New York Times: “La difesa missilistica americana ha fallito in Arabia Saudita?”.

Questa non è la prima volta che la “difesa missilistica” Patriot fallisce [in inglese] in maniera spettacolare contro questi missili presumibilmente obsoleti:

Il 25 febbraio 1991, uno Scud iracheno ha colpito le caserme di Dhahran, in Arabia Saudita, uccidendo ventotto soldati del 14° reparto fureria dell’esercito statunitense.

Un’indagine del governo ha rivelato che la mancata intercettazione a Dhahran, era stata causata da un errore software nella gestione delle date dei file. La batteria di missili Patriot a Dhahran era stata operativa per 100 ore, durante le quali l’orologio interno del sistema aveva deviato di un terzo di secondo. A causa della velocità del missile, ciò era equivalente al mancare l’obiettivo di 600 metri.

Che questa spiegazione sia reale o meno, l’iniziale dichiarazione americana di un grande successo nell’abbattere quasi tutti gli ottanta Scud iracheni lanciati, è stata smentita da fisico del Massachusetts Institute of Technology, Theodore Postol, il quale ha concluso che, in realtà, nessun missile fosse stato intercettato!

Come hanno sottolineato [in inglese] gli esperti di missilistica del New York Times:

Abbattere i missili Scud è difficile, e i governi hanno erroneamente rivendicato il successo contro di loro in passato.

In passato, i governi hanno sovrastimato la loro efficacia nella difesa dai missili, incluso contro gli Scud. Durante la Prima Guerra del Golfo, gli Stati Uniti hanno dichiarato un primato quasi perfetto nell’abbattimento delle varianti irachene degli Scud. Analisi successive hanno trovato che quasi tutte le intercettazioni avevano fallito.

Perché è così difficile abbattere gli Scud? Perché questo è senza dubbio il primo missile ipersonico al mondo [vola a Mach 5 e MANOVRA]!

Se diamo uno sguardo più vicino a questo missile, vediamo che è spinto a propulsione per quasi tutto il suo intero volo. Questa è la chiave. La testata esplosiva si separa dal corpo del missile solo pochi chilometri [alcuni secondi] prima di raggiungere il suo obiettivo. Il corpo del missile contiene un sistema per manovrare il missile, per mezzo di un vettore di spinta: usa pale di grafite che si muovono dentro e fuori dalla corrente di scarico del motore del razzo, come si vede qui:

In tal modo, il missile virerà e cambierà rotta per l’intera fase terminale del volo, rendendolo un obiettivo molto difficile da tracciare con i radar e da abbattere!

Una volta che la testata si separa, il corpo missilistico usato cade in maniera innocua sul suolo, come ha fatto appena fuori dell’aeroporto di Riad, atterrando su una strada nelle vicinanze. È questa caduta del corpo missilistico ormai inutile che può essere agganciata dai radar della difesa aerea e colpita dai missili intercettori mentre la testata stessa viaggia indisturbata oltre:

Il solo reale problema con questi antichi Scud era la loro precisione. Possono sbagliare l’obiettivo di centinaia di metri. Ma naturalmente, l’accuratezza e i sistemi di guida dei missili sono cambiati molto. Il successore moderno dello Scud, il russo Iskander [in inglese] lanciato da un autocarro, ha una precisione di circa 5 metri! Anch’esso, è un vero missile ipersonico che raggiunge i Mach 7, ma ha una gittata di soli 500 km ed era regolamentato dall’ora defunto trattato INF [in italiano, Trattato sulle Forze Nucleari a Raggio Intermedio] dal quale l’amministrazione Trump è uscita unilateralmente.

L’Iskander-M russo viaggia a una velocità supersonica di 2.100-2.600 m/s [corrispondente a Mach 6-7] e raggiunge un’altitudine di 50 chilometri. L’Iskander-M pesa 4.615 chili, porta una testata di 710-800 chili, ha una gittata di 480 chilometri e raggiunge un CEP [probabile errore circolare] di 5-7 metri. Durante il volo può fare manovre a diverse altitudini e seguire traiettorie per evadere i missili antibalistici.

L’Iskander è generalmente descritto [in inglese] , perlomeno in Occidente, come un missile “quasi balistico”. Ma che sia “quasi” o meno, gli Stati Uniti considerano l’Iskander un arma molto pericolosa e di una tipologia di cui non sono ancora in possesso. Infatti, i tentativi statunitensi di sviluppare il proprio primo missile ipersonico sono stati piuttosto lenti fin dall’inizio. Il primo test [in inglese] di volo con il prototipo di AGM 183 della Lockheed Martin (meglio noto come ARRW) nell’aprile di quest’anno, non è riuscito nemmeno a far separare  il missile dalle ali del B52 che lo trasportava. Il secondo tentativo [in inglese] , il 29 luglio, è riuscito a far separare il razzo dall’aereo, ma il motore non si è acceso!

Chiaramente gli Stati Uniti sono a molti anni di distanza dal poter schierare un’arma ipersonica funzionante. Questi primi test servivano solo a collaudare il razzo, e avevano un finto veicolo planante, che si dovrebbe separare dal razzo una volta che questi raggiunga i Mach 6 circa, e quindi planare, manovrando, fino al bersaglio designato.

Il prototipo, al posto del veicolo planante, trasportava un surrogato frammentabile destinato a distruggersi dopo il rilascio.

Comunque rimane poco chiaro come un veicolo planante non motorizzato possa eseguire manovre aerodinamiche DENTRO l’atmosfera. Il concetto di planata spinta, che è utilizzato dall’Avangard, funziona mantenendo il veicolo planante sopra l’atmosfera, alla velocità tipica di un ICBM, dove può rimbalzare sugli strati più alti dell’atmosfera come un sasso piatto sulla superfice di uno stagno.

La gittata complessiva dell’AGM 183 si afferma essere di circa 1.600 chilometri. Chiaramente un tale missile a corto raggio, e raggiungendo una velocità di solo circa Mach 8 al massimo [sulla base delle dichiarazioni di poter raggiungere il suo obiettivo in un tempo di volo di 10 a 12 minuti] non sarà in grado di utilizzare la manovra della spinta-planante, che richiede l’uscita dall’atmosfera.

La Tecnica della Picchiata Profonda (se non siete portati per i dettagli tecnici, saltate alle conclusioni)

Allora, guardiamo alla tecnologia ipersonica russa un po’ più nel dettaglio, così da capire più di quanto i media, che da sempre hanno problemi con la tecnologia, ci possano dire.

Basandoci su quanto le Forze Armate Russe hanno già schierato, possiamo notare come le armi ipersoniche ce ne siano di tutte le forme e dimensioni. Alcune, come l’Avangard, sono lanciate da potenti razzi ICBM e hanno lo stesso raggio di  azione degli ICBM. Altri, come gli Zircon, più simili ai missili da crociera Tomahawk o Kalibr, sono spinti da un propulsore che aspira aria e sono in grado di manovrare aerodinamicamente durante il volo verso il bersaglio, ma volando circa dieci volte più velocemente.

Altri, come il Kinzhal, che sembra essere un’evoluzione dell’Iskander, esso stesso un’evoluzione dello Scud, sono spinti da razzi relativamente piccoli e sono progettati per manovrare tramite gas, cioè sfruttando la spinta vettoriale,  durante tutte le fasi del volo fino al raggiungimento dell’obiettivo.

Queste, per avere una classificazione di base, sono le tre principali tipologie.

Volano tutti molto veloci, (fino a Mach 25 per gli Avangard), ma usano diversi mezzi di propulsione e differenti modalità di manovra.

Iniziamo dal Kinzhal, poiché abbiamo già una comprensione basilare di come funzionano uno Scud o un Iskander. Il Kinzhal è lanciato, ad una velocità molto alta e ad alta quota, da un intercettore MiG-31, ed è progettato per volare fino a 1.500 chilometri ad una velocità di crociera di Mach 2,4 e a una quota di circa 20 chilometri.

Trasportando anche un Iskander non modificato a tali quote e velocità, la sua gittata potrebbe benissimo raddoppiare fino a circa 1.000 chilometri, giacché l’energia chimica del razzo necessaria a raggiungere tali altezze e velocità sarebbe risparmiata e potrebbe venire spesa per raggiungere una maggior distanza di volo.

La gittata attribuita ufficialmente al Kinzhal è di 2.000 chilometri, ma non è chiaro se includa o meno il volo sul MiG-31. La mia ipotesi è che lo includa (il MiG-31 ha un raggio di combattimento di oltre 700 chilometri a Mach 2,4), quindi il Kinzhal dovrebbe volare circa 1.300 chilometri prima di colpire il bersaglio, per una gittata complessiva di 2.000 chilometri. In effetti, il MiG-31 potrebbe volare per buona parte della missione a velocità subsoniche, risparmiando carburante, e poi accelerare fino a una velocità di crociera supersonica, o anche fino alla velocità massima di Mach 2,8 nelle ultime centinaia di chilometri prima di lanciare il Kinzhal. Farebbe poi ritorno alla base nuovamente a velocità subsonica. Questo aumenterebbe ulteriormente la gittata.

In ogni caso, è realistico pensare che la gittata complessiva verso un bersaglio, per esempio una portaerei americana, dal punto di decollo del MiG-31 (ora schierati in Siria), realisticamente non sarà meno di 2.000 chilometri come dichiarato, se non di più. Questo è certamente un punto di svolta per il dominio navale statunitense. Gli aerei imbarcati non avrebbero alcuna possibilità di volare lontano abbastanza dal proprio campo di volo galleggiante per intercettare un MiG-31 che lancia un Kinzhal a più di 1.000 chilometri di distanza dalla nave. L’F/A-18 ha un raggio d’azione in assetto da combattimento di soli 740 km. Ovviamente, non sarebbe in grado di raggiungere il MiG-31 che lancia oltre i 1.000 chilometri.

Ora guardiamo lo Zircon, il missile da crociera di cui la NATO si lamenta. Finora, il missile è stato testato con successo contro obiettivi a 450 chilometri. Il Ministero della Difesa russo afferma che la sua gittata è di oltre 1.000 chilometri, e che saranno effettuati presto test alla massima distanza.

Anch’esso rappresenta un punto di svolta. Lo Zircon sarà trasportato sulla nuova classe di navi militari di superficie russe con stazza da fregata o da “piccolo cacciatorpediniere”, nonché sui nuovi sottomarini nucleari di classe Yasen equipaggiati con missili da crociera che stanno ora per diventare operativi [in inglese]. Questi sottomarini d’avanguardia porteranno anche missili da crociera subsonici Kalibr con una gittata massima di 4.500 chilometri! In combinazione con il Kinzhal, lanciato dall’aria, la US Navy dovrà affrontare alcune sfide molto difficili provenienti dall’aria, dal mare e persino da sotto il mare. Va notato che sia lo Zircon sia il Kinzhal non sono esclusivamente missili antinave. Possono altrettanto facilmente colpire obiettivi 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 occidentale!

Ma lo Zircon è anche un tour de force tecnologico. La caratteristica unica dello Zircon è il suo statoreattore a combustione supersonica, [il motore scramjet]. Questa è la prima volta al mondo che si mette in produzione un motore di questo tipo, qualcosa che è stato a lungo obiettivo sia per gli Stati Uniti sia per la Russia.

Non a caso, i russi hanno fatto volare il primo prototipo scramjet al mondo nel 1991 – il Kholod, che significa ‘freddo’ in russo. Sorprendentemente, nell’atmosfera del periodo di Yeltsin nei primi anni ‘90, gli sviluppatori russi del primo motore scramjet funzionante al mondo, l’Istituto Centrale dei Motori per l’Aviazione [CIAM], hanno invitato la NASA a partecipare ai test di volo presso il poligono militare di Sary Shagan in Kazakistan. I risultati sono stati pubblicati nella letteratura professionale degli Stati Uniti, qui e qui [in inglese].

Ma nonostante questo impulso tecnologico dalla Russia, gli Stati Uniti non sono stati in grado di tenere il passo. I suoi esperimenti con motori scramjet, anche se pubblicizzati all’impazzata nei media, sono stati dormienti per diversi anni. Sembra che per il momento gli Stati Uniti abbiano rinunciato all’idea di costruire un motore scramjet funzionante, così come hanno rinunciato, decenni fa, all’idea di costruire un motore a razzo a circolo chiuso, avendo ritenuto “impossibile” tale tecnologia.

Allora, che cos’è un motore scramjet? Per comprendere appieno quest’argomento, diamo prima un’occhiata a come funziona un motore turbogetto. Ecco una foto che vale più di mille parole.

L’aria entra nella parte anteriore del motore, ed è poi compressa da un numero di pale in rotazione su una serie di ruote, analogamente ad un ventilatore o ad un’elica. L’aria compressa è poi passata nel bruciatore, o camera di combustione, in cui è spruzzato del carburante, e il risultato è un gas molto caldo e ad alta pressione che muove le ruote della turbina, laminate in modo simile alle ruote del compressore all’ingresso.

Le ruote della turbina e il compressore sono su un unico albero e ruotano alla stessa velocità, quindi è l’energia del gas che mette in rotazione le turbine e quest’ultime muovono a loro volta i compressori. L’energia rimasta nel gas è espulsa attraverso un ugello, accelerando in tal modo il flusso di gas e creando una spinta, sul principio della Terza Legge di Newton, azione-reazione. La forza del 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 a reazione, sia quelli che aspirano aria sia i razzi, sono chiamati motori a reazione.

[Per inciso, il cuore di qualsiasi motore a razzo a combustibile liquido è una turbo-pompa, che è fondamentalmente un motore a turbina a gas. Ha un bruciatore, dove una certa quantità di combustibile e ossidante è bruciata, fornendo gas per muovere la ruota, o le ruote, della turbina, le quali poi azionano due pompe “comprimenti” [anch’esse ruote], che pressurizzano l’ossidante e il carburante, consegnati poi alla camera di combustione principale sotto grande pressione.]

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

In parole povere, la pressione dinamica [o pressione d’ariete] è ciò che senti sulla tua mano quando metti la mano fuori dal finestrino della tua auto mentre guidi in autostrada.

Le conseguenze di quest’aumento quadratico di pressione con la velocità sono profonde! Ad una tipica velocità di crociera di 450 nodi, o Mach 0,8, di un aereo passeggeri l’aumento di pressione per l’effetto ariete, nella parte anteriore della ventola del motore, è di circa 1,5. Inoltre, l’ingresso del motore deve RALLENTARE il flusso d’aria fino a circa Mach 0,5 in modo che le lame rotanti possano funzionare in modo efficiente.

Incrementando la velocità di volo a Mach 2, l’aumento di pressione sulla faccia del motore a causa dell’effetto ariete è di sette volte! A queste velocità, non hai neanche bisogno di un compressore o di turbine.

Questa è l’idea alla base dello statoreattore [il motore ramjet], non hai bisogno di parti in movimento, solo di una presa d’aria progettata per rallentare il flusso d’aria sotto la velocità del suono, trasformando l’energia cinetica in energia di pressione. La camera di combustione è semplicemente un tubo con spruzzatori di carburante, dove l’aria compressa è bruciata insieme al carburante, e poi espulsa attraverso un ugello, esattamente come sul turbogetto. Infatti, il postbruciatore degli aerei da combattimento supersonici funziona esattamente come un motore ramjet: il carburante è spruzzato internamente e brucia con l’aria che è 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/carburante di oltre 50, rispetto a circa 15 di una automobile]. Questa illustrazione di un postbruciatore mostra la semplice geometria di base:

Ma anche lo statoreattore ha un limite di velocità, proprio come il turboreattore. In entrambi i casi questo ha a che fare con la decrescente efficienza dell’ingresso del motore alle alte velocità: una parte maggiore di energia cinetica del flusso d’aria è convertita in calore piuttosto che nella pressione usabile. Nel turboreattore questo limite si raggiunge verso i Mach 3, quando il calore dell’aria entrante eccede il limite dei materiali delle alette del compressore. Nello statoreattore, eliminando quelle alette superflue e tutte le altre parti mobili, si alza il limite di temperatura ad un valore molto più alto, cosicché volare a circa Mach 5 diventa possibile.

Sopra a queste velocità, lo statoreattore presenta un diverso tipo di problema. Mentre la velocità di volo continua ad aumentare, l’efficienza nel convertire l’energia cinetica in pressione continua a diminuire vertiginosamente. Queste perdite di pressione sono dovute ad una serie di onde d’urto generate dal rallentamento del flusso dell’aria nel passaggio d’entrata al motore, prima della camera di combustione. La più grossa onda d’urto e la maggiore perdita di pressione si hanno quando il flusso passa infine sotto la velocità del suono. Questa è chiamata l’onda d’urto normale, perché è perpendicolare [normale] alle pareti del passaggio d’entrata, come si può vedere in questa illustrazione dell’ingresso supersonico e le sue onde d’urto.

Perciò il limite di velocità arriva perché la maggior parte della pressione d’ingresso non è recuperabile, è semplicemente dissipata in calore attraverso le onde d’urto all’ingresso.

E qui arriva lo scramjet, lo statoreattore a combustione supersonica, in cui il flusso dell’aria non è mai rallentato al di sotto della velocità del suono. È per questo che è chiamato SCramjet, per la sua combustione supersonica, in cui il flusso dell’aria nella camera di combustione viaggia molto al di sopra di Mach 1, forse si avvicina a Mach 2. Per fare un confronto, nel turboreattore il flusso dell’aria entra nella camera di combustione ad appena Mach 0,2, dieci volte minore, e nei post bruciatori e negli statoreattori entra a circa 0,5 Mach.

In tal modo si risolve il problema del limite di velocità dovuto alla mancanza dell’energia di pressione disponibile, ma si devono anche affrontare ENORMI sfide. Alla velocità di volo di Mach 6 o 7, l’aeromobile si muove circa a 2.000 metri al secondo. La velocità di combustione del fronte di fiamma rappresenta la sfida principale. Anche se occorre solo un centesimo di secondo per bruciare la miscela aria-combustibile, affinché avvenga, è necessaria una camera di combustione lunga 20 metri! Naturalmente ciò è difficilmente pratico ma è in linea con la velocità di propagazione del fronte di fiamma per il kerosene avionico. Questo è il motivo per cui gli ugelli di uscita dei post bruciatori negli aerei supersonici sono lunghi diversi metri.

Insomma, ogni tipo di motore ad aspirazione d’aria, turboreattore, statoreattore e statoreattore a combustione supersonica, ha il suo limite di velocità, come si può vedere in figura:

Perfino lo statoreattore a combustione supersonica arriverà, a un certo punto, al suo limite. L’asse verticale rappresenta l’impulso specifico, ISP, cioè l’efficienza del motore per ogni unità di massa di combustibile bruciata. Vediamo che l’ISP diminuisce più si viaggia veloci, in ogni tipo di motore: vuol semplicemente dire che l’utilizzo del combustibile aumenta molto più velocemente della velocità di volo!

Torniamo ora alla sfida principale dello scramjet, cioè la velocità del fronte di fiamma. Questo è strettamente un limite della reazione chimico-fisica del combustibile con l’aria. L’idrogeno brucia dieci volte più velocemente del kerosene, ma non è un combustibile pratico, deve essere raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto per essere liquido, non è quindi stoccabile nei serbatori, e il rifornimento richiede tempi lunghi. Tutti i prototipi sperimentali precedenti, sia russi sia americani, usavano l’idrogeno liquido criogenico come combustibile per il motore scramjet. Ma lo Zircon usa un innovativo combustibile a base di kerosene chiamato dai russi Detsilin-M.

Il modo esatto in cui i russi hanno ottenuto questa formulazione chimica è, ovviamente, un segreto ben custodito, ma è chiaramente un notevole passo avanti nell’ingegneria chimica, comparabile a quello degli anni ‘60 nella scienza dei materiali che rese possibile [in italiano] il motore a razzo a ciclo chiuso e combustione a stadi ricca di ossigeno [che tuttora gli Stati Uniti non sono riusciti a dimostrare].

In una precedente discussione su questo sito, PeterAU1, commentatore molto orientato tecnicamente e pilota di lungo corso di elicoplani [in italiano], ha tirato fuori qualche materiale interessante sul ‘drogaggio’ del kerosene con certi additivi per aumentare la velocità del fronte di fiamma. Ma i dettagli tecnici di questo soggetto vanno oltre lo scopo di questa discussione introduttiva relativamente breve [sebbene sia sicuro che potremo leggerne ancora nella sezione dei commenti!].

Conclusioni

Insomma, lo Zircon rappresenta non solo un’arma formidabile e mortale, ma è indicativa delle capacità ingegneristiche dell’industria aereospaziale russa. È un risultato impressionante, perfino rivoluzionario. Come ho già accennato lo Zircon è solo l’inizio per l’utilizzo dello statoreattore a combustione supersonica da parte delle forze armate russe. La prossima generazione di questi missili, come i Gremlin già menzionati, sarà perfino più piccola, più veloce e a più lunga portata. In futuro, si potranno perfino vedere gli scramjet sugli aeroplani civili superveloci, ma per questo ci vorrà probabilmente ancora molto tempo.

Un risultato ingegneristico perfino più grande è l’incredibile veicolo di rientro a traiettoria boost-glide [in italiano] dell’Avangard. Lascio però questa storia notevole ad un’altra discussione.

Insomma, queste nuove tecnologie russe stanno, in effetti, ribaltando il futuro bilancio militare globale. Esse sono INARRESTABILI con l’attuale tecnologia di difesa aerea. Proprio come gli indiani delle Pianure non potevano sperare di fermare, con i loro archi e frecce, la cavalleria statunitense con i suoi fucili a ripetizione.

Perfino più profondo potrebbe essere l’effetto psicologico che i risultati ingegneristici russi possono esercitare sulla psiche americana, abituata com’è ad assumere di avere i più bravi ingegneri e di produrre i migliori armamenti.

Ora è dimostrato che questo NON è più il caso.

E questo potrebbe essere il più grande punto di svolta!

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 Articolo di Gordog  pubblicato da Moon of Alabama il 2 agosto 2021
Traduzione in italiano di DS, Eros Zagaglia, Michele Passarelli, Pappagone, Fabio_san per SakerItalia

 [le note in questo formato sono dei traduttori]

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