Inizio di MHD2
...Nel divergente di una ugello supersonico (ad esempio bidimensionale), il gas viene accelerato:
...Qui sopra, le onde di Mach nel divergente di un motore a razzo. Queste onde sembrano riflettersi sulla parete. Ciò è legato a una condizione di compatibilità relativa al flusso sulla parete: la bisettrice interna delle due onde di Mach, o caratteristiche, rappresenta la direzione del flusso, che deve essere tangente alla parete.
...La velocità del suono viene raggiunta nel collo. A monte, il gas si muove a velocità subsonica. Viene accelerato nel divergente e la pressione diminuisce. Più elevata sarà la velocità di espulsione, migliore sarà l'efficienza del motore a razzo. Ma c'è un prezzo da pagare: i gas devono essere espulsi a una pressione uguale a quella ambiente, all'altitudine in cui il motore opera. Questo si chiama "adattamento dell'ugello". Se il divergente è troppo pronunciato, il gas verrà espulso a una pressione inferiore a quella ambiente (atmosferica) e si formeranno onde di shock di ricompressione. Le onde di Mach sono anche chiamate "caratteristiche" del flusso. In un motore a razzo con simmetria assiale, queste onde di Mach sono coniche. Ciò significa che in ogni punto dell'ugello, se si ponesse un ostacolo fisso della dimensione di un granello di sabbia, genererebbe un'onda di Mach con forma conica.
...Il vettore velocità corrisponderebbe all'angolo semiverso del cono. Più elevato è il numero di Mach e più acuto sarà il cono di Mach.
...I motori a reazione degli aerei sono dotati di ugelli a sezione variabile, il cui divergente si apre progressivamente con l'aumento dell'altitudine e la diminuzione della pressione ambiente.
...I divergenti degli ugelli dei motori a reazione sono dotati di "petali" che si aprono grazie a idrauliche man mano che la pressione diminuisce, comando diretto di una misura barometrica. Poiché la velocità di espulsione è più elevata, questi motori hanno un'efficienza maggiore in alta quota.
...Ma torniamo al nostro canale. Cosa accade quando la curva si presenta così:
...A sinistra, il convergente non è troppo pronunciato. Le caratteristiche (onde di Mach) tendono a stringersi, ma non si intersecano (altrimenti fuori dal flusso stesso). Si verifica una diminuzione del "numero di Mach locale", della velocità e un aumento dell'altezza dell'acqua (equivalente della pressione in un gas).
...A destra, la curva è troppo pronunciata. Le onde di Mach tendono a intersecarsi. Si forma un "salto liquido", analogo a un'onda di shock in un gas. Il flusso presenta una discontinuità. A valle dell'onda di shock, la velocità decresce bruscamente, attraversando il salto-onda.
...La prua di una nave è anch'essa un "convergente". Se la nave si muove a bassa velocità, inferiore alla velocità di propagazione delle onde superficiali (quindi in regime "subsonico"), le onde di Mach non esistono. In modo corrispondente, il livello dell'acqua rimane costante.
...A velocità più elevate (V > a) si può, con un computer, calcolare in un flusso bidimensionale la geometria delle onde di Mach teoriche. Si osserva che queste si intersecano e tendono a focalizzarsi:
...Nel disegno sopra, sono state calcolate le onde di Mach teoriche in un flusso gassoso, risolvendo le equazioni della meccanica dei fluidi (Navier-Stokes) attorno a un profilo alare lentigginoso immerso in un flusso gassoso supersonico, con l'aiuto di un computer (1979). Si osserva che le onde di Mach tendono a focalizzarsi. È stata rappresentata solo una famiglia di onde. Questi punti di focalizzazione sono "i luoghi di nascita" delle onde di shock. Infatti, le onde di Mach sono onde di compressione. Il flusso sopra descritto non è quindi fisicamente realistico. Si notano due ventagli di espansione sui lati del profilo. Si formeranno quindi due sistemi di onde di shock:
...A valle delle onde di shock, il gas è "compressa", ricompresso, e la sua velocità diminuisce. Questo fenomeno avviene su uno spessore molto sottile: qualche centesimo di millimetro.
...A valle dell'onda di shock frontale, dopo essere stato bruscamente decelerato, il gas viene nuovamente accelerato continuamente secondo un "ventaglio di espansione". Può addirittura essere "sovraaccelerato", tanto che una seconda onda di shock, detta onda di shock di coda, deve formarsi sul bordo di uscita del profilo per ripristinare, a valle, la pressione ambiente, secondo il principio illustrato nella mia striscia a fumetti "Il Muro del Silenzio" (vedi il "CD-Lanturlu"):
Si prega di lasciare il gas nello stato in cui lo si è trovato all'ingresso.
...Il vettore velocità subisce anche una discontinuità di direzione, se il bordo d'attacco è un diedro:
(fenomeno analogo al bordo di uscita, se anch'esso ha forma di diedro).
...Vediamo ora cosa accade in analogia idraulica.
...Si osserva che la sovraaccelerazione dell'acqua sui fianchi della nave fa emergere la parte della carena ferma sotto la linea di galleggiamento.
...Questi sistemi d'onde (in flussi gassosi o in flussi liquidi con superficie libera) modificano la distribuzione della pressione attorno al profilo o alla carena. Ne deriva una resistenza d'onda che si aggiunge alla resistenza di attrito. Quando si vola in crociera supersonica (ad esempio durante un volo del Concorde), la resistenza d'onda diventa così elevata da superare ampiamente la resistenza di attrito. Il volo supersonico è quindi molto consumatore di energia e gli aeromobili devono essere dotati di motori potenti. Inoltre, questi voli supersonici possono essere effettuati solo in alta quota, altrimenti la resistenza d'onda diventerebbe proibitiva. Un aereo a reazione non può superare facilmente il numero di Mach 1,2 al livello del suolo.
Dove va questa energia? Si dissipa in due modi. Gli oggetti supersonici producono un "bang" molto intenso, che distribuisce questa energia a grande distanza, proprio come l'onda di shock generata da un esplosivo dissipa l'energia su grandi distanze. L'onda di shock provoca anche un riscaldamento dell'aria, ma la dissipazione sotto forma sonora è predominante.
...Abbiamo qui presentato un sistema di "onde legate". Se la parte anteriore del veicolo è arrotondata (naso o bordi d'attacco delle ali e dell'impennaggio, nel caso della navetta spaziale), l'onda di shock si stabilisce a una certa distanza dall'oggetto. La velocità è nulla nel "punto di arresto" del flusso, quindi il flusso diventa subsonico a valle dell'onda, e poi si verifica una nuova accelerazione.
...La ricompressione del gas a valle di un'onda di shock è accompagnata da un riscaldamento. La temperatura nel "punto di arresto" cresce molto rapidamente con il numero di Mach (come il suo quadrato). Gli aerei supersonici quindi subiscono forti sollecitazioni termiche sulle parti anteriori (naso, bordi d'attacco). Anche se ciò comporta un aumento della resistenza, i naso o i bordi d'attacco devono essere arrotondati a numeri di Mach molto elevati (regime ipersonico) per distribuire il flusso di calore. Ricordare il naso molto arrotondato di un veicolo sperimentale come il X-15.
...Nel caso di corpi di rientro, questo non è un problema, poiché si cerca proprio il frenaggio. Le capsule di rientro russe sono semplicemente sferiche. Le capsule americane presentano un importante "scudo termico", in cui si verifica una ablazione parziale del materiale (non sono progettate per essere utilizzate più di qualche minuto e devono essere sostituite dopo ogni rientro, se la capsula è riutilizzabile).
...Ci siamo posti, nel 1975, il problema di una possibile evoluzione supersonica, e persino ipersonica...