Proprio mentre qualcuno dice che l’uomo fa fatica ad inventare e progettare soluzioni innovative, perché già è stato inventato tutto, il settore aeronautico vede il proliferarsi di nuove ricerche. Diverse compagnie, agenzie e start-up si cimentano in vecchie sfide o nuove soluzioni a problemi noti. I voli supersonici ed ipersonici, la riduzione dei consumi e l’efficienza dei motori ne sono esempi.
Poter completare tratte trans-continentali in tempi brevi è sempre stato il sogno delle compagnie aeree. Tanto che, non appena il volo supersonico venne reso possibile dagli sviluppi tecnologici degli anni ’50, Regno Unito, Francia, Stati Uniti e Unione Sovietica si cimentarono immediatamente con lo sviluppo di diversi prototipi.
Regno Unito e Francia furono i più fortunati. Dopo aver provato progetti separati e dati gli enormi costi per la ricerca e lo sviluppo, le nazioni collaborarono a partire dai primi anni ’60. Da questa alleanza nacque il Concorde. Usato dalla British Airwais e dall’Air France, il velivolo rimase in servizio fino al 2003.
L’URSS fu l’unica altra potenza a veder volare il proprio aeroplano supersonico per trasporto passeggeri. Il Tupolev TU-144 era tecnologicamente più arretrato della sua controparte europea: presentava particolari problemi di consumi e rumorosità per i passeggeri. Nonostante questi aspetti, il TU-144 aveva alcune soluzioni innovative come l’uso di alette canard estensibili e velocità superiori al Concorde. Entrò in servizio prima del Concorde e venne anche dismesso prima, già dalla fine degli anni ’70.
L’appalto statunitense, invece, denominato SuperSonic Transport, venne vinto dalla Boeing sulla Lockheed. Contrariamente al Concorde e al Tupolev, Boeing presentò un progetto con ali a geometria variabile per migliorare le capacità del velivolo. Tuttavia, il progetto venne modificato in corso d’opera perché la complessità di questa soluzione ed il suo peso intaccavano le prestazioni dell’aereo a velocità supersoniche. Si optò per un’ala più standardizzata per il volo supersonico e usata dalle controparti euro-asiatiche: l’ala a delta. Il progetto non vide mai veramente la luce, dato che l’opinione pubblica si era schierata contro i viaggi supersonici del Concorde che impattavano eccessivamente l’ambiente e la salute delle persone. Gli Stati Uniti impiegarono solo i Tupolev per portare avanti alcune ricerche sul volo supersonico (modelli venduti dopo la messa a terra in URSS).
Oltre alcuni incidenti sia del Concorde sia del Tupolev, i viaggi commerciali supersonici non ebbero mai grande fortuna. Il costo operativo troppo alto, con conseguente rincaro sui biglietti, le spese per l’ingegnerizzazione, gli alti consumi e il tipico rumore dato dal boom sonico fecero sì che simili velivoli rimasero solo nei cuori degli appassionati.
Il volo supersonico sta tornando in auge grazie alle contemporanee capacità di calcolo computazionale, le nuove conoscenze sui regimi supersonico e ipersonico, , a nuovi materiali e leghe metalliche sempre più performanti.
L’XB-1 della Boom Supersonic si propone come dimostratore tecnologico per il volo supersonico commerciale di nuova generazione. Il progetto darà vita all’Overture per il “volo sostenibile a 1,7 Mach”. L’azienda è supportata anche dalla American Airlines, dalla United Airlines e dalla Japan Airlines. Senza contare partner industriali come la nostra Leonardo. L’Overture dovrebbe trasportare 80 passeggeri per un massimo di 8.000 km. Inoltre, il velivolo dovrebbe essere alimentato da carburanti sostenibili, sostituti del cherosene aeronautico usato ancora oggi, per ottenere la neutralità carbonica.
Il progetto, come molti altri, non ha finalità puramente civili. La Boom Progress Defense collabora anche con la Northrop-Grumman: grande sviluppatore di velivoli militari per gli Stati uniti.
Sempre il Giappone ha intenzione, tramite JAXA (simile alla statunitense NASA), di sviluppare un simile aereo, ma di dimensioni inferiori. Il progetto è caratterizzato da una velocità di 1,6 Mach, capace di trasportare 36-50 passeggeri, un peso massimo al decollo di 70 tonnellate e una distanza percorribile pari a 6.300 km.
Il fatto che il Giappone e la compagnia di bandiera investano tanto sul volo supersonico non deve stupire. Questo paese, dalla fine della seconda guerra mondiale, ha rapporti molto stretti con gli USA e l’Europa. Come riportato sul sito della JAXA, grazie a questi mezzi potrebbe dimezzarsi il tempo di volo dal Giappone all’Europa e all’America del Nord. I viaggi commerciali passerebbero da 12 ore a 6 ore di volo.
Il volo ipersonico (oltre i 5 Mach) è un campo ancora da esplorare.
In Svizzera, la startup Destinus pare aver già testato i suoi prototipi con successo. Il progetto è stato gradito anche dalla Spagna, che ha deciso di finanziarlo in qualità di supervisore. Una particolarità di questo velivolo è la propulsione ad idrogeno, altro settore di sperimentazione in ambito aeronautico. Secondo la startup, un volo di 20 ore, come quello da Francoforte a Sidney, verrà ridotto a 4 ore e 15 minuti.
C’è poi Hermeus corporation. La startup ha in cantiere 4 progetti: il reattore Chimera, per raggiungere 5 Mach con tecnologia Turbine-Based Combined Cycle engine; Quarterhorse, il primo dimostrare del volo a 5 Mach usando il motore di propria produzione e la riusabilità dello stesso; Darkhorse, un APR ipersonico per il settore della Difesa; Halcyon, un velivolo ipersonico per il trasporto commerciale.
Al momento, Hermeus sembra star completando i test a terra per il loro motore su base Pratt & Whitney F100.
Prende piede la propulsione a idrogeno. Un po’ come sta avvenendo per il settore automobilistico, anche quello aerospaziale cerca nuove fonti per alimentare i propri mezzi.
Tra i principali pionieri di questa tecnologia c’è Airbus, oltre a due startup: ZeroAvia e Universal Hydrogen. Le due startup hanno già completato dei test in volo. Ad esempio, Universal Hydrogen ha riconvertito un ATR-72, un velivolo per trasporti regionali da 40 passeggeri (per la versione a idrogeno sperimentata). Secondo la startup, l’uso di questo modello a idrogeno dovrebbe partire dal 2025, stessa data per cui Airbus punta a far volare un A-380 (il più grande aereo per trasporto passeggeri) con tecnologie a idrogeno.
Sempre Airbus sta investendo in altri due tipi di propulsione per diversi tipi di aeromobili. L’ibridizzazione e la propulsione completamente elettrica. Queste tecnologie puntano a limitare le emissioni e alimentare sistemi anche più piccoli di un aeromobile, come i velivoli per spostamenti interni alle metropoli per 4-6 passeggeri.
Anche l’Australia, paese largamente dipendente dagli spostamenti aerei, sta investendo nella ricerca e nella prototipazione di piccoli velivoli elettrici. Dai mezzi per il trasporto regionale, agli aero-taxi per lo spostamento in ambiente urbano. Sempre per il mercato australiano, anche la brasiliana Embraer compie passi in avanti nello sviluppo di sistemi analoghi.
Anche l’agenzia per eccellenza nella ricerca dell’aerospazio, la NASA, punta a far volare il suo X-57, un piccolo aereo di aviazione generale spinto da due eliche alimentate a batterie. Gran parte dello sviluppo dovrebbe essere completato a settembre 2023, riporta l’agenzia stessa.
Altri modi, con i quali si possono ridurre consumi e, dunque, emissioni, sono legati alla struttura stessa del velivolo.
Il primo metodo ripreso da JetZero, dopo l’abbandono di questa configurazione negli anni ’60, è l’“ala volante”. Il modello propone una struttura aerodinamica che sia al contempo portante e capiente. JetZero ha ideato due proposte: la prima per l’USAF, mentre la seconda per un velivolo civile. Rispetto alle strutture tube-and-wing, dove la generazione di portanza è dovuta solo alle superfici alari, mentre la fusoliera tubolare consente di caricare merci e passeggeri, l’ala volane permette di generare portanza in un qualunque punto della struttura. Questo riduce l’attrito viscoso, incrementando l’efficienza aerodinamica del velivolo. Secondo JetZero, il loro aereo potrebbe ridurre i consumi del 50% rispetto ad un aereo comparabile con design tradizionale. Come JetZero, anche Airbus ha richiamato la struttura ad ala volante nel render del Maveric per uso civile.
Fino ad oggi, questa configurazione è stata usata solo ad uso militare. Il bombardiere stealth B-2 Spirit usa questo design per rendersi meno visibile ai radar e penetrare lo spazio aereo più facilmente. Un altro sviluppo ad uso bellico per questa struttura dovrebbe essere il futuro velivolo cargo dell’aeronautica militare russa, con il progetto PAK-DA.
A differenza dei viaggi supersonici e ipersonici, sappiamo che il design ad ala volante può essere sfruttato solo per voli transonici o subsonici (quelli dei voli contemporanei).
Per quanto riguarda le ali, altre ricerche vengono portate avanti da NASA e Boeing. Il rivoluzionario concetto del Transonic Truss-Braced Wing risponde proprio a queste esigenze. Grazie ad una lunghezza maggiore dell’ala, riducendone al contempo la profondità, è possibile ridurre la resistenza all’avanzamento. In particolare, questa struttura permette di ridurre i vortici che si generano alle estremità alari e ridurre l’attrito viscoso sulla superficie alare, rispetto agli odierni aerei di linea.
Tenendo conto che il design del TTBW ha l’attaccatura dell’ala alta, con l’ausilio di una struttura aerodinamica (probabilmente portante) che collega ogni semiala alla parte inferiore della fusoliera, si può estendere l’ala in larghezza, mantenendo invariata la portanza e ottenendo i benefici sopraelencati. Questa forma richiama la struttura peculiare degli alianti che, non avendo generatori di spinta per la quasi totalità del volo, devono essere quanto più efficienti possibili.
Già con l’introduzione dei turbofan, anziché gli obsoleti ed inquinanti turbogetti, abbiamo assistito ad una riduzione dei consumi ed un aumento della spinta complessiva.
Oggi la Rolls Royce sta sviluppando un dimostratore per migliorare le tecnologie già presenti sui motori aeronautici e incrementare il rapporto efficienza-prestazioni di quelli futuri. Denominato Ultra-Fan, il prototipo conterrà tecnologie perfettamente scalabili, dice Rolls Royce. Questo permetterà di ridurne le dimensioni ed adattarlo a molte tipologie di aeromobili commerciali.
Tramite l’uso di materiali compositi, un design a tre alberi ed altre soluzioni protette dal segreto industriale, l’Ultra-Fan è stato sviluppato per eccedere l’efficienza dei motori odierni, con la possibilità di ibridizzarlo alla propulsione elettrica e per renderlo compatibile ai Sustainable Aviation Fuel (i “bio-carburanti” per gli aeromoili). Inoltre, sul sito della Rolls Royce, si legge che l’azienda sta investendo anche per l’affidabilità, la sicurezza e l’efficienza dell’alimentazione a idrogeno (ritenuta la nuova alimentazione per gli aeromobili dal 2035).
Come spesso accade in ambito ingegneristico, però, nulla offre solo vantaggi.
Il volo a velocità supersoniche ed in particolare ipersoniche comporta molte sfide. Tra i principali, vi sono le elevate temperature che la struttura deve tollerare date dalla frizione con l’aria, e l’inquinamento acustico per il superamento della velocità del suono boom sonico, oltre ai costi di manutenzione e rifornimento. Sulle difficoltà date dal boom sonico, la NASA sta lavorando ad un dimostratore, l’X-59, per la riduzione di questo fenomeno.
Per quanto riguarda l’idrogeno, i costi di produzione della materia prima, il trasporto della stessa, le difficoltà ed il peso relativi allo stivaggio e all’utilizzo nella struttura dell’aeromobile e la sicurezza del suo impiego non ne facilitano l’adozione. In modo analogo, gli aeroplani ibridi/elettrici, necessitano di grandi quantità di energia elettrica, difficile da produrre, trasportare (anche se meno dell’idrogeno) e immagazzinare. Su tutte queste problematiche, quello del peso delle batterie è il più rilevante al momento.
Le nuove strutture proposte come l’ala volante ed il TTBW comportano un aumento del peso, una difficoltà di realizzazione maggiore e complessità manutentive differenti. Peraltro, le dimensioni e la forma delle due strutture differiscono notevolmente da quelli degli aeri usati oggi e richiederebbero la riprogettazione di alcune zone degli aeroporti, come i gate.
Allo stesso modo, l’efficienza dell’Ultra-Fan è garantita dalla sua complessità. Complessità che richiede ingenti investimenti per la progettazione, la realizzazione e la manutenzione, nel caso venissero adottati su larga scala.