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Il prossimo grande balzo dell'aviazione
Nonostante la sua aura di industria all'avanguardia, l'aerospaziale è stagnante da decenni. Gli stessi tipi di aerei a reazione entrati in servizio negli anni '60 prevalgono ancora nei voli commerciali e militari. Negli Stati Uniti, non c'è stato un nuovo programma di motori a razzo significativo da quando il motore principale dello space shuttle è stato sviluppato 20 anni fa. Nulla del Boeing 777 lascia perplessi i progettisti di aerei dell'era Eisenhower.
Oggi, tuttavia, la disponibilità di motori a razzo affidabili e riutilizzabili potrebbe rendere possibile il prossimo grande passo nel trasporto aerospaziale: l'aereo a razzo. Gli aerei a razzo combinano la propulsione a razzo con l'aviazione, consentendo agli aerei che decollano e atterrano da aeroporti convenzionali di volare su e fuori dall'atmosfera. Gli aeroplani a razzo ridurranno il costo del lancio satellitare, accelereranno la consegna dei pacchi e, in definitiva, forniranno alle persone un modo per sfrecciare da un lato all'altro del mondo in circa un'ora. Per quanto inverosimile possa sembrare questa visione, la tecnologia è a portata di mano.
L'idea di un aereo a razzo non è nuova. Il primo aereo di questo tipo, il tedesco Heinkel He-176, ha volato nel 1939. È stato nell'X-1 a propulsione a razzo che Chuck Yeager ha rotto per la prima volta la barriera del suono, 50 anni fa, lo scorso ottobre. Durante gli anni '80 e l'inizio degli anni '90, la NASA e il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti hanno collaborato al National Aerospace Plane Project, uno sforzo, poi annullato, per sviluppare tecnologie che avrebbero reso possibile un veicolo che sarebbe decollato come un normale aereo, accelerato in orbita intorno terra, quindi tornare attraverso l'atmosfera per un atterraggio in pista.
Ma i recenti progressi tecnologici, dai razzi più efficienti agli scudi termici più affidabili e robusti, hanno avvicinato l'aereo a razzo alla realtà pratica. Allo stesso tempo, il mercato dei servizi che un tale veicolo potrebbe offrire è in crescita. La necessità di lanciare satelliti in modo economico può fornire il primo stimolo per lo sviluppo di un razzo. In futuro, tuttavia, l'uso quotidiano principale di questi veicoli ipersonici potrebbe risiedere nella consegna di passeggeri e pacchi di valore in tutto il mondo.
Non è un mistero il motivo per cui i progettisti di velivoli abbiano impiegato così tanto tempo per abbracciare la tecnologia dei motori a razzo. Primo, i razzi sono inefficienti e consumano carburante sette volte più velocemente del turbogetto a piena potenza. E mentre un motore a reazione respira aria dall'atmosfera per bruciare il suo carburante, i razzi sono progettati per funzionare nel vuoto dello spazio e quindi devono trasportare non solo carburante ma anche ossidante, solitamente sotto forma di ossigeno liquido. Questo requisito impone un carico di peso maggiore su un razzo rispetto a un jet.
In secondo luogo, i razzi in genere non si sono dimostrati affidabili quanto i motori delle turbine a gas. Questa inaffidabilità deriva in parte dal fatto che questi motori funzionano a temperature estremamente elevate. Inoltre, i progettisti e gli ingegneri aeronautici hanno relativamente poca esperienza con i razzi, rispetto ai loro miliardi di ore di esperienza con i motori a reazione.
Ma i razzi hanno qualche vantaggio compensativo. Sebbene consumino carburante, pesano solo una frazione di quello che fanno le turbine a gas. I migliori motori a reazione attualmente in fase di sviluppo generano circa 9 volte la spinta rispetto al peso del motore. Al contrario, anche un motore a razzo molto pesante produce un rapporto spinta-peso di 50. Inoltre, con la tecnologia attuale solo un razzo può raggiungere la velocità di Mach 25 necessaria per superare la forza di gravità ed entrare nell'orbita terrestre. (Mach 1 è la velocità del suono nell'aria, circa 740 mph, o 1.200 chilometri all'ora.) Anche il più veloce motore a reazione a reazione d'aria arranca solo a circa Mach 4.
Alzarsi nel selvaggio nero laggiù
Gli aerei a razzo di successo commerciale dipenderanno dagli sviluppi in due tecnologie chiave: un motore a razzo affidabile e riutilizzabile e un robusto sistema di protezione termica per prevenire danni durante il rientro. In entrambi i casi, soluzioni avanzate sono a portata di mano.
I ricercatori statunitensi si sono concentrati sul miglioramento delle tecnologie dei componenti e dei materiali avanzati, non sulla produzione di veri e propri prodotti per motori a razzo. Nell'ex Unione Sovietica, tuttavia, i ricercatori hanno continuato a portare avanti lo sviluppo delle famiglie di motori a razzo. In particolare, il programma dello space shuttle sovietico ha portato a una nuova generazione di motori a razzo riutilizzabili avanzati alimentati con cherosene (ovvero carburante per aerei convenzionale), idrogeno o una combinazione dei due. Ad esempio, il riutilizzabile RD-120, un motore a cherosene sviluppato come motore di livello superiore per il booster Zenit, è stato certificato dal suo importatore statunitense Pratt and Whitney come valido per 10 voli, più altri 10 dopo un'importante revisione.
Gli ingegneri aerospaziali riconoscono anche che il sistema di protezione termica sulla navetta spaziale non è adatto a un veicolo veramente robusto. Sebbene la navetta sia riutilizzabile, il suo scudo termico si danneggia facilmente. Inoltre, le normali condizioni atmosferiche come pioggia e polvere provocata dal vento danneggiano lo scudo termico. Dopo ogni atterraggio, la navetta deve essere sottoposta a una ristrutturazione costosa e dispendiosa in termini di tempo che coinvolge sostanze chimiche tossiche e procedure speciali, per sostituire le piastrelle perse e danneggiate in modo che la navicella spaziale possa risalire in sicurezza in orbita di nuovo.
Gli sforzi della NASA per correggere questi problemi hanno prodotto risultati impressionanti. I progettisti hanno una selezione molto più ampia di piastrelle, coperte, superfici metalliche e compositi e ceramiche avanzati, tutti elementi che possono rendere gli aerei a razzo di nuova generazione in grado di resistere a vento e intemperie che eliminerebbero lo scudo termico dalla navetta in pochi minuti. Uno dei nuovi materiali, la piastrella di protezione termica AETB-TUFI-C sviluppata dall'Ames Research Center della NASA, è sopravvissuta, intatta, a un volo di prova su un F-15. Questo risultato è stato tanto più notevole perché il combattente è volato attraverso un temporale che ha raschiato via la vernice dalla sua superficie.
Tali progressi hanno rafforzato le prospettive di costruire un aereo a razzo riutilizzabile. Ma rimangono altre domande sul design prima che un tale mestiere diventi pratico. In primo luogo, per sfruttare i trilioni di dollari delle infrastrutture aeroportuali esistenti, un aeroplano a razzo deve essere in grado di decollare e atterrare in modo convenzionale e orizzontale.
Inoltre, un motore a razzo funziona meglio nel vuoto dello spazio; più densa è l'aria, più carburante deve bruciare il razzo per sviluppare la stessa quantità di spinta. La densa zuppa d'aria dell'atmosfera impone anche una penalità alla resistenza, costringendo il razzo a sprecare enormi quantità di carburante. Così un aeroplano a propulsione a razzo ha bisogno di qualche altro mezzo di propulsione per sollevarlo da terra fino ai tratti superiori dell'atmosfera; una volta raggiunto i margini dell'atmosfera, il razzo potrebbe accendersi e spingere il velivolo nello spazio.
Gli ingegneri aeronautici hanno sviluppato tre schemi principali per raggiungere questo obiettivo. In uno, l'aereo a razzo è attaccato alla pancia di un aereo a reazione, che decolla e vola ad alta quota. Quindi l'aereo a razzo scende per completare il suo volo. Chuck Yeager utilizzò questa tecnica nel 1947 per realizzare il primo viaggio umano a velocità supersonica.
In una moderna variante di questo approccio, un aereo a reazione traina un aeroplano a razzo ad alta quota con un cavo, proprio come gli aerei convenzionali lanciano gli alianti. Questo schema è in fase di sviluppo presso il Kelly Space and Technology di San Bernardino, in California. L'aereo Eclipse di Kelly è trainato da un Boeing 747 a un'altitudine di circa 14 chilometri. Lì, l'Eclipse accende il suo motore a razzo, si disconnette dalla linea di traino e sale a circa 150 chilometri. L'Eclipse quindi scivola verso un atterraggio non alimentato.
Un vantaggio di queste due tecniche è che il razzo stesso ha bisogno di un solo motore: il razzo. D'altra parte, qualsiasi veicolo che dipende da un altro aereo per lanciarlo ha un grave inconveniente. Se l'aereo a razzo atterra nel posto sbagliato, ad esempio, dovrà attendere l'arrivo di un aereo da trasporto o da traino prima di poter riprendere il volo. Inoltre, il decollo in una tale configurazione in tandem richiederebbe piste più lunghe e più larghe di quelle degli aeroporti esistenti. Inoltre, se il motore del razzo non si accende dopo essersi disconnesso dall'aereo portante, l'aereo a razzo andrebbe probabilmente perso.
La nostra azienda, Pioneer Rocketplane, favorisce un diverso schema di assistenza al lancio. Nell'approccio Pioneer, il velivolo Pathfinder decollerebbe in modo convenzionale e salirebbe a nove chilometri sotto la potenza di motori a reazione turbofan convenzionali. Lì si sarebbe incontrato con un grande aereo subsonico, come un trasporto KC-135 o un Boeing 747, che fungerebbe da cisterna volante. Per prepararsi alla seconda fase di volo, il razzo sarebbe attraccato a questa petroliera e avrebbe succhiato circa 290.000 chilogrammi di ossigeno liquido da esso. Tali trasferimenti sono una pratica comune nell'aviazione militare, sebbene il propellente spostato sia carburante per aerei anziché ossigeno liquido.
Dopo essersi disconnesso dalla petroliera, l'aereo avrebbe acceso il suo motore a razzo e sarebbe salito a 150 chilometri, raggiungendo una velocità di Mach 12. L'aereo a razzo avrebbe quindi viaggiato al di sopra delle frange più esterne dell'atmosfera, durante il quale un satellite attaccato a un piccolo razzo superiore potrebbe essere rilasciato per il trasferimento in orbita. L'aereo sarebbe poi ridiscendere nell'atmosfera. Dopo aver rallentato a una velocità subsonica, i motori del turbofan si riavviavano, spingendo l'aereo in un campo di atterraggio. Poiché potrebbe decollare da qualsiasi aeroporto di medie dimensioni, il razzo Pioneer fornirebbe una grande flessibilità nella scelta del sito di lancio e nelle opzioni di interruzione.
Guidare un razzo per divertimento e profitto
La prima cosa che viene in mente a molte persone pensando agli aerei a razzo è il potenziale per un rapido viaggio personale. Sebbene questa possibilità esista, altre applicazioni promettono un flusso di entrate più stabile e probabilmente si svilupperanno per prime.
lancio di satelliti: Nonostante un'attività sana derivante dal lancio di satelliti governativi e commerciali, l'industria internazionale dei lanci spaziali ha sofferto negli ultimi due o tre decenni un periodo di stagnazione tecnologica quasi completa. La maggior parte dei sistemi di lancio ora in uso, inclusi Delta, Atlas, Titan, Soyuz, Molniya e Proton, stavano già volando più o meno nelle loro forme attuali a metà degli anni '60. Mentre alcuni sistemi aggiuntivi, come l'Ariane europeo, sono stati introdotti nei decenni successivi, i miglioramenti tecnologici sono stati così minori che i sistemi più vecchi sono ancora competitivi. Di conseguenza, le tariffe di trasporto dalla superficie terrestre all'orbita rimangono tra i 10.000 ei 20.000 dollari per chilogrammo, gli stessi degli anni '60. Questo costo costantemente elevato inibisce gravemente lo sviluppo commerciale dello spazio.
Creare una nuova industria spaziale
Poiché gli aeroplani a razzo sono una tecnologia a breve termine con un'applicazione commerciale diffusa, dovrebbe essere possibile finanziare il loro sviluppo principalmente con investimenti privati. Tuttavia, lo sviluppo di nuovi sistemi di volo comporta sempre un rischio aziendale significativo, che potrebbe essere mitigato dalla partecipazione del governo.
Il riferimento alla nostra era attuale come l'era spaziale è un termine improprio, come chiamare gli anni '10 l'era dell'aria. Fatta eccezione per i militari, il mondo non ha realmente sentito l'impatto dei viaggi aerei fino a quando la tecnologia non è diventata di routine, comune e accessibile a più di un'élite di pochi. Allo stesso modo, se sta per arrivare una vera era spaziale, ci deve essere un mercato per la tecnologia dei veicoli a razzo che supporti la produzione di componenti di veicoli spaziali non in molti uno o due, ma in centinaia o migliaia.
I produttori di questi aerei dovranno iniziare a utilizzare i metodi di produzione comuni nell'aviazione commerciale piuttosto che le costose tecniche di produzione di piccoli lotti che oggi dominano l'industria spaziale. Inoltre, avremo bisogno di un'infrastruttura di lancio mondiale che supporti non centinaia di voli all'anno, ma centinaia di voli al giorno. Gli unici mercati abbastanza grandi da stimolare gli investimenti in tale capacità di produzione e infrastrutture di lancio sono la consegna di pacchi a lunga distanza e il trasporto di passeggeri.
Per lo stesso motivo per cui gli aerei militari e poi quelli postali hanno preceduto gli aerei passeggeri, i razzi a lancio satellitare, militari e per la consegna rapida di pacchi precederanno senza dubbio gli aerei a razzo passeggeri. Tuttavia, verrà sicuramente il giorno in cui migliaia di aeroplani a razzo attraverseranno il mondo ogni giorno, servendo viaggiatori d'affari e di vacanza da New York a Tokyo, forse anche in orbita.