Quando la potenza a reazione e quella a razzo si uniscono…

Immaginate di salire su un aereo per attraversare mezzo mondo: un viaggio che con un 747 richiederebbe circa 20 ore. Ma grazie a un volo ipersonico che viaggia a velocità superiori a Mach 5, raggiungerete la vostra destinazione in sole quattro ore.

Potrebbe sembrare fantascienza, ma questo tipo di viaggio diventerà presto una realtà economica grazie ai motori SABRE. 

SABRE™ —Synergetic Air Breathing Rocket Engine— è una nuova classe di motori attualmente in fase di sviluppo, destinata alla propulsione sia di velivoli ad alta velocità che di veicoli spaziali. I motori SABRE si distinguono per la capacità di combinare l’efficienza nei consumi di un motore a reazione con la potenza e la capacità di raggiungere velocità elevate tipiche di un razzo.

A differenza dei motori a reazione, che sono in grado di spingere un veicolo solo fino a Mach 3, ovvero tre volte la velocità del suono, i motori SABRE raggiungono Mach 5,4 in modalità aerobica — per compiere il giro del mondo — e Mach 25 in modalità a razzo — consentendo l’accesso all’orbita.

Inoltre, la combinazione offerta da SABRE tra la meccanica tradizionale dei motori a reazione e la propulsione a razzo consente decolli e atterraggi orizzontali, permettendo ai futuri spazioporti di ospitare la prossima generazione di velivoli e veicoli spaziali. E, mentre la maggior parte dei razzi è monouso, il design unico di SABRE gli permette di tornare sulla Terra per alimentare un altro volo, più e più volte.

Invenzione = Non solo prodotto, ma anche processo

Un elemento fondamentale del progetto SABRE è la svolta nella tecnologia dei motori aerospaziali raggiunta da Reaction Engines grazie allo sviluppo di scambiatori di calore ultraleggeri (pre-raffreddatori), che impediscono il surriscaldamento dei componenti del motore alle alte velocità di volo.

Il percorso che ha portato a questa tecnologia rivoluzionaria è iniziato molti anni fa nella mente di alcuni esperti di ricerca e sviluppo della Reaction Engines. Ma prima che la vera magia potesse avere inizio, questi inventori visionari dovevano progettare un prototipo per dimostrare la fattibilità di un metodo di propulsione completamente nuovo.

Il primo passo è stato individuare metalli e materiali ultraleggeri ma resistenti, per poi stabilire come unirli tra loro. Questo motore unico nel suo genere avrebbe richiesto metalli con caratteristiche metallurgiche nettamente diverse e un ciclo termico straordinario per preparare tali materiali a resistere a condizioni estreme. Attraverso oltre 700 test, gli ideatori del SABRE hanno dimostrato la validità dei loro principi, definendo — e perfezionando — al contempo il meticoloso processo necessario per realizzare un prototipo di motore funzionante.

Innovazione di proporzioni epiche

Mentre Reaction Engines valutava il processo e le attrezzature necessarie per questa impresa, una cosa è apparsa chiara: la produzione del pre-raffreddatore del motore — un sistema complesso costituito da tubi metallici ultra-sottili ma incredibilmente robusti — avrebbe richiesto un forno altamente specializzato, in grado di controllare con precisione un meticoloso processo di brasatura per ottenere una forma, una geometria e una metallurgia decisamente uniche.

SABRE sarà costituito da tre elementi chiave: il pre-raffreddatore, il nucleo del motore e la camera di spinta. Il pre-raffreddatore, essenziale per raggiungere velocità pari o superiori a Mach 5, è composto da migliaia di tubi a pareti sottili che trasportano il fluido di raffreddamento. Si tratta di un sistema complesso: circa duemila chilometri di tubi microfini, con spessori delle pareti pari alla metà della larghezza di un capello umano. Ogni giunzione deve essere sigillata ermeticamente, consentendo al pre-raffreddatore di ridurre la temperatura dell’aria da 1.000 °C a -150 °C in una frazione di secondo. Questo processo sottrae energia all’aria a un ritmo di circa 400 MW — l’equivalente di una piccola centrale elettrica!

Dopo aver definito specifiche precise, individuato i materiali e le caratteristiche metallurgiche ottimali e progettato un processo termico mai tentato prima, Reaction Engines si è rivolta a Consarc, una società del Gruppo Inductotherm. Con mezzo secolo di esperienza nella fusione sotto vuoto e in atmosfera controllata, Consarc era l’unico partner in grado di progettare e realizzare un forno su misura per soddisfare le straordinarie esigenze di questo cliente.

Oltre a decenni di preziosa esperienza, Consarc, con sede nel Regno Unito, ha messo a disposizione un solido team di ricerca e sviluppo, ingegneri interni, consulenti tecnici ed esperti di installazione per progettare una tecnologia di forni su misura in grado di soddisfare i requisiti specifici e senza precedenti di Reaction. Ogni aspetto del forno, dalla sua capacità di creare il vuoto al controllo della temperatura, è stato calcolato con precisione, praticamente senza alcun margine di errore, per garantire risultati esatti e ripetibili — qualcosa che nessun forno esistente sarebbe stato in grado di eguagliare. Qualcosa che solo un vero maestro del mestiere avrebbe potuto realizzare.

E così, un progetto nato come un piccolo esperimento di un team presso Reaction Engines si è ampliato di sei volte, man mano che il team di professionisti di Consarc individuava e presentava diverse soluzioni possibili. Con l’evolversi dei piani per il forno, si è ampliato anche il gruppo di esperti; i team di ingegneria, produzione e installazione presso lo stabilimento di Consarc nel Regno Unito hanno tutti svolto un ruolo fondamentale nella progettazione e nella costruzione delle attrezzature su misura per Reaction.

Il risultato della loro collaborazione è un forno unico nel suo genere, in grado di riscaldare e raffreddare in modo rapido e preciso assemblaggi modulari contenenti grandi quantità di tubazioni estremamente delicate, il tutto in condizioni altamente controllate e costantemente ripetibili. La dimensione della zona calda del forno è una delle più grandi al mondo nel suo genere, con un diametro di 2,5 m e un’altezza di 1,5 m. Le dimensioni imponenti garantiscono che il forno possa ospitare non solo i componenti di prova del pre-raffreddatore, ma anche le sezioni che andranno a costituire la versione di produzione su larga scala di SABRE.

Campi di prova

Grazie a un forno per brasatura sotto vuoto Consarc completamente personalizzato e installato in loco, Reaction Engines ha dedicato diversi anni a perfezionare il complesso processo di produzione necessario per realizzare la tecnologia dello scambiatore di calore che costituirà la base del pre-raffreddatore SABRE definitivo.

Il design modulare di SABRE consente di costruire e testare a terra ogni componente in modo indipendente. I test sulla tecnologia rappresentativa (nota come HTX) inizieranno alla fine del 2018 presso un impianto di prova di prossima completamento situato all’aeroporto di Front Range, vicino a Watkins, in Colorado. I test condotti in questa struttura simuleranno le condizioni di flusso d’aria ad alta temperatura che SABRE dovrà affrontare a Mach 5 e verificheranno le prestazioni della tecnologia di preraffreddamento.

In un altro centro di collaudo, anch’esso in fase di costruzione a Westcott, nel Buckinghamshire (Regno Unito), il team Reaction avvierà i test a partire dal 2020 per valutare i sottosistemi critici e il nucleo del motore SABRE. Una volta superati tutti questi test a terra, il processo proseguirà per consentire al SABRE di solcare i cieli, alimentando un veicolo di prova in volo e scrivendo una pagina di storia dell’aviazione.

Il cielo non è più l'unico limite

I motori a reazione rivoluzioneranno il trasporto aereo. Alimentando la prossima generazione di velivoli, dalle applicazioni militari ai voli commerciali, SABRE consentirà viaggi più efficienti, raggiungendo velocità doppie rispetto a quelle degli attuali motori a reazione tradizionali. Inoltre, grazie alla sua doppia funzionalità, questa nuova generazione di motori opererà non solo nell’atmosfera terrestre, ma anche oltre i suoi confini, rendendo l’accesso allo spazio molto più economico; ciò, in ultima analisi, aprirà la strada a possibilità sempre più ambiziose per i viaggi spaziali.

Scopri di più sul rivoluzionario SABRE su ReactionEngines.co.uk.