Regime ipersonico: differenze tra le versioni

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{{F|fisica|marzo 2022}}[[ImmagineFile:X-43A (Hyper - X) Mach 7 computational fluid dynamic (CFD).jpg|thumb|200px|Il [[Boeing X-43]] alla velocità di Mach 7]]

Un problema di [[fluidodinamica]] o [[aerodinamica]] viene generalmente considerato in '''Regimeregime ipersonico''' per velocità caratteristiche del [[campo di moto]] maggiori di circa 5cinque volte la [[velocità del suono]] nel [[fluido]] considerato. (vediSi dice anche che tali velocità hanno un [[numero di Mach]]) maggiore di 5.

I fenomeni di flusso ipersonico sono in particolare caratterizzati da fenomeni di interazione viscosa, in quanto la [[viscosità]] ha forte influenza sul flusso esterno e sulle [[ondaOnda d'urto (fluidodinamica)|onde d'urto]]. Le onde d'urto possono alterare chimicamente l'[[aria]] o il [[gas]] circostante, creando un [[plasma (fisica)|plasma]] parzialmente ionizzato, con raggiungimento di elevate temperature ([[riscaldamento aerodinamico]]).

Considerando le precedenti definizioni, il concetto di "regime ipersonico" risulta difficilmente comprensibile, considerando il fatto che non si rilevano cambiamenti fisici tali da renderlo diverso dal flusso supersonico. In generale, una particolare combinazione di fenomeni si registranoregistra a ''circa'' 5 Mach. Il regime ipersonico viene anche definito come la velocità alla quale i motori [[ramjet]] non producono più spinta, ma è di nuovo una definizione ambigua, dal momento che essi possono venire modificati per operare anche in regimi ipersonici (i cosiddetti [[scramjet]]).

La [[NASA]] ha raggiunto il regime ipersonico con aerei sperimentali senza pilota con propulsione a razzo arrivando a Mach 7 e Mach 10 registrando il record mondiale di velocità con il prototipo [[X-43]]. Il prossimo obiettivo della NasaNASA sarà quello di raggiungere Mach 15.

== Descrizione ==

==Caratteristiche di un flusso ipersonico==

=== Caratteristiche di un flusso ipersonico===

Mentre la definizione di ''flusso ipersonico'' può sembrare piuttosto ambigua e criticabile (soprattutto a causa della relativa continuità nel passaggio tra [[regime supersonico|regimi supersonici]] e ipersonici), esso è caratterizzato da una serie di fenomeni fisici che non vengono riscontrati in altri regimi; tali fenomeni riguardano in particolare:

* Il '''fronte dell'onda d'urto''': all' aumentare dei Mach, la densità dell'onda d'urto aumenta e il suo volume diminuisce per la legge della conservazione della massa; di conseguenza, anche il fronte dell' onda d' urto diminuisce.

* L''''entropia''', che aumenta nella zona del fronte d' urto come risultato di un alto gradiente entropico e forti flussi vorticosi che interagiscono nello [[strato limite (fluidodinamica)|strato limite]].

* L''''interazione viscosa''': una parte dell'elevata [[energia cinetica]] associata ai regimi ipersonici si trasforma in [[energia interna]] del fluido a causa di effetti viscosi; questo aumento di energia interna si traduce nell'aumento della temperatura. Benché il gradiente di pressione perpendicolare al flusso all'interno dello strato limite sia pari a zero, l'aumento della temperatura coincide con una diminuzione della densità di questo strato, che si può espandere e fondere con il frontel'onda d'urto.

* Le '''alte temperature''' raggiunte per l'interazione viscosa, che causano degli squilibri chimici nell'ambiente circostante, come ad esempio dissociazioni e ionizzazioni di molecole, attraverso dei moti convettivi e per irraggiamento.

=== Effetti ipersonici ===

* L''''entropia''', che aumenta nella zona del fronte d' urto come risultato di un alto gradiente entropico e forti flussi vorticosi che interagiscono nello [[strato limite (fluidodinamica)|strato limite]].

Il regime ipersonico è caratterizzato da un certo numero di effetti che non sono riscontrabili nelle normali situazioni di regimi subsonici; questi effetti dipendono in primo luogo dalla velocità e dalla conformazione del veicolo in esame.

Il raggiungimento di velocità ipersoniche, sebbene sia effettuato ad altitudini elevate dove la densità dell'aria è minore che a livello del mare, determina un aumento della temperatura e, di conseguenza, produce il surriscaldamento, causato dall'attrito, dell'intero velivolo, che deve essere costruito con materiali che sopportino temperature molto alte.

* L''''interazione viscosa''': una parte dell'elevata energia cinetica associata ai regimi ipersonici si trasforma in energia interna del fluido a causa di effetti viscosi; questo aumento di energia interna si traduce nell'aumento della temperatura. Benché il gradiente di pressione perpendicolare al flusso all'interno dello strato limite sia pari a zero, l'aumento della temperatura coincide con una diminuzione della densità di questo strato, che si può espandere e fondere con il fronte d'urto.

=== Gruppi adimensionali del regime ipersonico ===

* Le '''alte temperature''' raggiunte per l'interazione viscosa, che causano degli squilibri chimici nell'ambiente circostante, come ad esempio dissociazioni e ionizzazioni di molecole, attraverso dei moti convettivi e per irraggiamento.

La descrizione dei flussi aerodinamici si basa su un certo tipo di parametri, detti [[gruppo adimensionale|gruppi adimensionali]], che permettono di semplificare e ridurre il numero di casi possibili da analizzare. Nel caso di flussi transonici, il [[numero di Mach]] e il [[numero di Reynolds]] ne permettono un' agevole classificazione.

Ovviamente ancheAnche il regime ipersonico richiede tali parametri: innanzitutto, l' equazione che governa l'angolo dell' [[Onda d'urto (fluidodinamica)|onda d'urto]] tende a diventare indipendente dal numero di Mach dai 10 Mach in avanti; in secondo luogo, la formazione di intense onde d'urto attorno al corpo in volo indica che il numero di Reynolds diviene meno rilevante nella descrizione dello [[strato limite]] del corpo (benché resti comunque importante); infine, le elevate temperature del regime ipersonico segnalano l'importanza degli effetti dei [[gas|gas reali]]. Per questo quest'ultimo motivo, lo studio del regime ipersonico è spesso denominato "'''aerotermodinamica'''".

==Effetti ipersonici==

Il regime ipersonico è caratterizzato da un certo numero di effetti che non sono riscontrabili nelle normali situazioni di regimi subsonici; questi effetti dipendono in primo luogo dalla velocità e dalla conformazione del veicolo in esame.

L'introduzione dei gas reali richiede un numero superiore di variabili necessarie alla descrizione dello stato del gas: mentre un gas stazionario è caratterizzato da tre parametri (la [[pressione]], la [[temperatura]] e il [[volume]]) e un gas in movimento da quattro (i tre precedenti più la [[velocità]]), un gas ada elevate temperature e in [[equilibrio chimico]] richiede delle equazioni di stato per ogni suo componente, mentre un gas non in equilibrio è descritto da queste equazioni se si aggiunge un'ulteriore variabile, cioè il tempo. Tutto questo significa che per descrivere un flusso non all'equilibrio in ogni istante temporale servono tra le 10 e le 100 variabili; inoltre, si deve ricordare che un flusso ipersonico rarefatto (solitamente caratterizzato da un [[numero di Knudsen]] superiore a uno) non segue le [[equazioni di Navier-Stokes]].

==Gruppi adimensionali del regime ipersonico==

La descrizione dei flussi aerodinamici si basa su un certo tipo di parametri, detti [[gruppo adimensionale|gruppi adimensionali]], che permettono di semplificare e ridurre il numero di casi possibili da analizzare. Nel caso di flussi transonici, il [[numero di Mach]] e il [[numero di Reynolds]] ne permettono un' agevole classificazione.

I regimi ipersonici vengono solitamente classificati in base alla loro energia totale, espressa come [[entalpia]] totale (in MJ/kg), pressione totale (in kPa o MPa), pressione di stagnazione (sempre in kPa o MPa), temperatura di stagnazione (in K), o velocità (in km/s).

Ovviamente anche il regime ipersonico richiede tali parametri: innanzitutto, l' equazione che governa l'angolo dell' [[onda d'urto]] tende a diventare indipendente dal numero di Mach dai 10 Mach in avanti; in secondo luogo, la formazione di intense onde d'urto attorno al corpo in volo indica che il numero di Reynolds diviene meno rilevante nella descrizione dello [[strato limite]] del corpo (benché resti comunque importante); infine, le elevate temperature del regime ipersonico segnalano l'importanza degli effetti dei [[gas|gas reali]]. Per questo ultimo motivo, lo studio del regime ipersonico è spesso denominato "'''aerotermodinamica'''".

== Regimi ipersonici ==

L'introduzione dei gas reali richiede un numero superiore di variabili necessarie alla descrizione dello stato del gas: mentre un gas stazionario è caratterizzato da tre parametri (la [[pressione]], la [[temperatura]] e il [[volume]]) e un gas in movimento da quattro (i tre precedenti più la [[velocità]]), un gas ad elevate temperature e in equilibrio chimico richiede delle equazioni di stato per ogni suo componente, mentre un gas non in equilibrio è descritto da queste equazioni se si aggiunge un'ulteriore variabile, cioè il tempo. Tutto questo significa che per descrivere un flusso non all'equilibrio in ogni istante temporale servono tra le 10 e le 100 variabili; inoltre, si deve ricordare che un flusso ipersonico rarefatto (solitamente caratterizzato da un [[numero di Knudsen]] superiore a uno) non segue le [[equazioni di Navier-Stokes]].

I regimi ipersonici vengono solitamente classificati in base alla loro energia totale, espressa come [[entalpia]] totale (in MJ/kg), pressione totale (in kPa o MPa), pressione di stagnazione (sempre in kPa o MPa), temperatura di stagnazione (in K), o velocità (in km/s).

==Regimi ipersonici==

Il regime ipersonico può venire approssimativamente separato in cinque differenti sotto-regimi, anche se i confini di ciascuno di essi possono risultare molto labili.

===Gas perfetto===

In questa situazione, il gas è considerato [[gas perfetto|perfetto]] e il regime è ancora fortemente influenzato dal numero di Mach; le simulazioni iniziano a dipendere maggiormente dall'uso di una temperatura-limite costante, piuttosto che da un limite adiabatico; il limite inferiore di questo regime si trova a circa 5 Mach (quando i [[Ramjet]] divengono inefficentiinefficienti), mentre quello superiore intorno ai 10-12 Mach.

===Gas perfetto a due temperature===

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===Gas dissociato===

In questo regime, i gas multimolecolari iniziano a [[dissociazione (chimica)|dissociarsi]] nel momento in cui vengono a contatto con l' [[Onda d'urto (fluidodinamica)|onda d'urto]] generata dal corpo e il tipo di gas considerato diviene importante per gli effetti del flusso. La [[catalisi|superficie di catalisi]], e di conseguenza anche il tipo di materiale utilizzato, gioca un ruolo fondamentale nel calcolo della superficie che si riscalda. L'inizio di questa fase corrisponde al momento in cui il primo componente del gas inizia a dissociarsi nel punto di stagnazione del flusso, il termine si ha quando gli effetti della [[ionizzazione]] iniziano ad essere rilevanti.

===Gas ionizzato===

La popolazione di elettroni [[ionizzazione|ionizzati]] diviene significativa, e le sue caratteristiche debbono essere studiate separatamente da quelle dei rimanenti componenti del gas. Questo regime si manifesta per velocità di circa 10-12 Km10–12 km/s e i gas presenti vengono considerati come [[plasma (fisica)|plasmi]] non radianti.

===Regime dominato dalla radiazione===

Oltre i 12 Km km/s, il trasferimento di calore al corpo in movimento cessa di avvenire tramite conduzione e diviene per irraggiamento; i modelli di gas per questo regime si dividono in due classi:

* '''gas trasparenti''', ovvero gas che non riassorbono la radiazione da loro stessi emessa;

* '''gas opachi''', per i quali la radiazione deve essere considerata un' ulteriore fonte di energia; questo tipo di gas risulta estremamente difficile da studiare, dato il numero esponenziale di calcoli necessari alla descrizione della radiazione in ogni punto del gas.

==Bibliografia==

* '''gas opachi''', per i quali la radiazione deve essere considerata un' ulteriore fonte di energia; questo tipo di gas risulta estremamente difficile da studiare, dato il numero esponenziale di calcoli necessari alla descrizione della radiazione in ogni punto del gas.

<div class="references-small">

* {{citeCita booklibro|lastcognome=Anderson|firstnome=John| yearanno=2006| titletitolo=Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition| publishereditore=AIAA Education Series| idisbn=ISBN 15634778071-56347-780-7}}

</div>

==Voci correlate==

*[[Rientro atmosferico]]

*[[Scramjet]]

*[[Skylon]] e [[SABRE]]

*[[Synergetic Air-Breathing Rocket Engine]]

*[[Zircon (missile)]]

====Altri regimi aerodinamici====

* [[Regimeregime subsonico]] Ma < 0,9

* [[Regimeregime transonico]] Ma > 0,9 Ma < 1,3

* [[Regimeregime supersonico]] Ma > 1,3 Ma < 5

*[[supercrociera]]

*regime ipersonico Ma > 5

== Altri progetti ==

==Bibliografia==

{{interprogetto}}

<div class="references-small">

* {{cite book|last=Anderson|first=John| year=2006| title=Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition| publisher=AIAA Education Series| id=ISBN 1563477807}}

</div>

==Collegamenti esterni==

* {{en}}cita [web|http://www.mech.uq.edu.au/hyper/ |University of Queensland Centre for Hypersonics]|lingua=en}}

{{portale|Fisica}}

[[Categoria:Fluidodinamica]]

[[de:Hyperschallgeschwindigkeit]]

[[en:Hypersonic]]

[[es:Velocidad hipersónica]]

[[fr:Hypersonique]]

[[nl:Hypersonische snelheid]]

[[no:Hypersonisk]]

[[pl:Prędkość hipersoniczna]]

[[pt:Escoamento hipersônico]]

[[simple:Hypersonic]]

[[tr:Hipersonik]]

[[zh:超高音速]]