Regime ipersonico
Un problema di fluidodinamica o aerodinamica viene generalmente considerato in Regime ipersonico per velocità caratteristiche del campo di moto maggiori di circa 5 volte la velocità del suono nel fluido considerato (vedi anche numero di Mach). 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 onde d'urto. Le onde d'urto possono alterare chimicamente l'aria o il gas circostante, creando un plasma parzialmente ionizzato, con raggiungimento di elevate temperature (riscaldamento aerodinamico).
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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 registrano 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 Nasa sarà quello di raggiungere Mach 15.
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 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 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.
- 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.
- 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
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.
Gruppi adimensionali del regime ipersonico
La descrizione dei flussi aerodinamici si basa su un certo tipo di parametri, detti 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 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 reali. Per questo ultimo motivo, lo studio del regime ipersonico è spesso denominato "aerotermodinamica".
Voci correlate
Altri regimi aerodinamici
Referenze
- John Anderson, Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition, AIAA Education Series, 2006, ISBN 1563477807.