I mezzi marittimi del futuro viaggeranno in supercavitazione?

Un argomento che sembra fantascienza ma non lo è affatto. Da Andrea Mucedola su Ocean4future

 

E’ apparsa in internet la notizia che i Cinesi stanno sviluppando un sistema di propulsione che consentirebbe ad un sottomarino di navigare ad altissime velocità ovvero percorrere 6.000 miglia, ovvero la distanza tra Shanghai a San Francisco, in soli 100 minuti. Questa notizia, che può sembrare una fake news, in realtà si riferisce ad un sistema di propulsione che sfrutterebbe un principio fisico ben noto la supercavitazione. 

 

Ma cos’è la supercavitazione?
In parole semplici la supercavitazione è una tecnica che permette di utilizzare gli effetti dell’ordinaria cavitazione per creare una bolla di gas all’interno di un liquido. Questo permettere ad un oggetto di viaggiare ad altissima velocità, rimanendo completamente avvolto dalla bolla di gas. In pratica, lo scopo della bolla è di ridurre drasticamente la resistenza al moto, permettendogli di raggiungere velocità impossibili da ottenere con una normale tecnica di propulsione.

Cavitation for dummy
Per comprendere meglio bisogna partire dal fenomeno della cavitazione. La resistenza idrodinamica è la forza totale che si oppone al movimento di un qualsiasi corpo in un fluido. In fluidodinamica, esiste un paradosso sviluppato dal matematico francese Jean le Rond d’Alembert nel 1752 che afferma che in un flusso incomprimibile, la forza di resistenza idrodinamica è zero su un corpo che si muove a velocità costante al fluido.

Se ci pensate si tratta di una contraddizione in quanto dobbiamo sempre applicare della forza per vincere la resistenza e superare l’attrito superficiale che  è causato dalla sua viscosità. In realtà, esiste la possibilità di superare la viscosità, riducendo al minimo la superficie in contatto con l’acqua. Questo avviene quando si genera il fenomeno della cavitazione.

Fisicamente la cavitazione si verifica quando un’elica di una nave viene ruotata così velocemente da raggiungere alte portate sulla sua superficie. I filetti fluidi che scorrono vengono sottoposti ad una bassa pressione e l’acqua inizia ad evaporare, formando delle bolle sferiche, dette di “cavitazione”. Se queste bolle tornano in aree con una pressione maggiore, esse producono molto rumore e quando collassano sulla superficie dell’elica, causano piccoli danneggiamenti strutturali. Subire questo effetto è sempre stato considerato un difetto tra i costruttori navali, in particolari quelli che progettano le eliche. 

La supercavitazione
La supercavitazione fu studiata per la prima volta durante il secondo conflitto mondiale in Germania, a Göttingen, nell’istituto “Kaiser-Wilhelm-Institut für Strömungsforschung” (in seguito chiamato Max-Planck-Institut) ed al Stoccarda-Ruit nel “Forschungsanstalt Graf Zeppelin”, sotto la direzione di Georg Madelung. Gli scienziati iniziarono a studiare il fenomeno per cercare di risolvere i problemi di non governo dei siluri che venivano lanciati dagli aerei. A causa della sempre maggiore velocità degli aeroplani divenne sempre più difficile per i piloti garantire la direzione dei siluri dopo il loro ingresso in acqua. Questo comportava che, in acque poco profonde, il siluro spesso toccava il fondo, perdeva la sua traiettoria o poteva spiattellare fuori dall’acqua.

I risultati di questi primi esperimenti produssero modelli matematici complessi che hanno tutt’oggi validità. Questo problema tecnico assunse sempre maggiore importanza durante la II guerra mondiale. Nasceva la guerra aeronavale e questi studi potevano ottimizzare l’efficacia delle armi lanciate in mare da aerei ad alta velocità.

Alla fine della seconda guerra mondiale Göttingen fu conquistata dalle truppe britanniche e gli scienziati furono arrestati e deportati in Inghilterra. Uno di questi ricercatori, H. Reichardt, scrisse un rapporto che divenne famoso, “Die Gesetzmässigkeiten der Kavitationsblasen an umströmten Rotationskörpern (Lit.3) ovvero “La legge delle bolle di cavitazione sul flusso attorno ai corpi di rivoluzione”. Nel suo rapporto Reichardt scrisse che “I corpi si muovono in acqua ad alta velocità a causa del numero di piccole cavità nelle cavità posteriori, chiamate bolle di cavitazione.“

La ricerca continuò e, nel 1977, furono effettuati i primi test con razzi subacquei nel poligono di Linz raggiungendo, nel 1980, la velocità di 140 m/s nel poligono delle forze armate di Meldorf. Un risultato importante che aprì una nuova strada.

Immaginiamo ora che un corpo cada in acqua. Nella sua caduta deve spostare l’acqua sulla sua strada. Questa azione separa il fluido dal corpo e forma una cavità che viene riempita dall’aria che scorre. Un esempio pratico è quello del tuffatore che si lancia da una piattaforma di 10 metri. La sua bravura sarà quella di entrare in acqua in modo tale da formare una cavità più grande della sua dimensione corporea per evitare di fare spruzzi.

Ora, se un corpo viene accelerato in modo uniforme, dopo l’ingresso, si formerà una cavità di dimensioni proporzionali alla sua velocità. Supponendo di essere in grado di calcolare tale cavità, è possibile progettare un corpo che si adatti alla cavità creata dalla sua ogiva. Per cui tale corpo, non avendo contatto con l’acqua, subirebbe pochissimo attrito superficiale, che è la principale fonte di resistenza. Venendo a mancare la resistenza, il corpo potrebbe aumentare notevolmente la sua velocità. Questo corpo ipotetico, che sulla sua traiettoria sott’acqua è circondato da un piccolo strato di gas, è chiamato supercavitante.

Inutile dire che fino ad oggi le applicazioni sono state principalmente nel campo delle armi ma, in linea di principio, la tecnica potrebbe essere estesa per includere mezzi navali e subacquei.

Come sappiamo l’acqua è 700 volte più densa dell’aria e, di conseguenza, esercita una maggiore resistenza su tutto ciò che cerca di attraversarlo. I moderni SSGN possono muoversi a una velocità massima di circa 40 nodi. Immaginiamo ora che il sottomarino sia azionato da motori a razzo. Se una parte dello scarico venisse indirizzato sulla prua in modo da creare un flusso al di fuori di essa, si verrebbe a creare una bolla di cavitazione attorno al sottomarino tale da avvolgerla. Questo principio è stato studiato anche per i siluri, che potrebbero raggiungere una velocità di oltre 200 nodi.

Siluro russo Shkval notate gli ugelli della
propulsione sul lato poppiero

Non è fantascienza
I sovietici in realtà costruirono il primo siluro supercavitante del mondo negli anni ’60 in grado di raggiungere delle velocità senza precedenti ma … anche molto rumoroso. Questo fattore lo rendeva poco impiegabile mettendo di fatto a rischio il vettore di lancio. Ma la ricerca sembra sia continuata e non solo in Russia. Una ricerca pericolosa visti i recenti “probabili” incidenti ai siluri imbarcati sui sottomarini nucleari russi che sembra abbiano causato danni significativi con molte perdite  dei membri dell’equipaggio.

Siluro russo Shkval visto dal lato prodiero.
Notate la sua estremità piatta.

Quando il siluro raggiunge una velocità dell’ordine di 90 nodi, la sua estremità piatta deflette l’acqua, che, incontrando a valle dell’estremità una pressione inferiore alla sua tensione di vapore, passa in fase gassosa dando origine alla bolla di gas attorno all’ogiva del siluro. Aumentando ulteriormente la velocità ed iniettando gas di altra origine è possibile far crescere questa bolla gassosa fino a ricoprire l’intero siluro. Un’arma che utilizza questa tecnica è il siluro russo Shkval che utilizza un razzo a propellente solido o kerosene – perossido di idrogeno per raggiungere quelle velocità. Si pensa che fu il malfunzionamento di uno di questi siluri ad aver causato l’affondamento del Kursk.

Al di là dei problemi tecnici, di fatto il lancio di un simile siluro resta un evidente campanello d’allarme per gli avversari. Se tale problema non è evitabile perché cercare di creare addirittura un sottomarino con queste caratteristiche?

Di fatto posizione del sottomarino verrebbe identificata immediatamente e comunicata ad ogni nave e sottomarino nella stessa zona. Ciò non ha impedito al DARPA statunitense di realizzare l’Underwater Express, un mini sommergibile capace di raggiungere velocità fino a 115 miglia all’ora. Ma non solo. Stanno comparendo mezzi di superficie come il Ghost che usano la super cavitazione per raggiungere velocità elevate.

Prodotto dalla Juliet Marine Systems, questo veicolo di
superficie ha per ora scopi militari. La nave ha uno scafo
centrale e due ali mobili che consentono allo scafo principale
di volare in sollevamento raggiungendo velocità elevate.
A riposo le ali si muovono orizzontalmente verso l’esterno
permettendo allo scafo centrale di abbassarsi e galleggiare
in superficie: permettendo così all’equipaggio di imbarcarsi.
Quando in velocità le ali si spostano in una posizione di
circa 30 gradi dalla verticale, sollevando lo scafo centrale
libero dalla superficie dell’acqua. La propulsione è data da
un motore a turbina a gas da 2.000 CV per ogni tubo che fa
girare due eliche montate frontalmente. Questi tubi espellono
anche una sacca d’aria dalla parte anteriore per generare
l’effetto di super cavitazione che riduce il coefficiente di
resistenza della nave di un fattore 900.
La velocità dichiarata è di circa 33 nodi.

Un esercizio accademico o uno sviluppo tattico importante per i mezzi subacquei?
Supponiamo che si vogliano rilasciare degli incursori, la missione dovrebbe ovviamente mantenere il massimo riserbo. Lo spunto di velocità consentirebbe di scattare via allontanandosi dai nemici in pochi minuti, avendo di fatto un rapporto di velocità tra l’uno e l’altro di circa uno a trenta. Cosa significa questo per il futuro della guerra sottomarina? Probabilmente poco, questo vantaggio sarebbe solo effimero perché in uno schermo di proiezione moderno la capacità di reazione non si misura solo con la velocità dei mezzi coinvolti ma con la capacità reciproca di coordinarsi. Una volta identificata la posizione del sottomarino nemico potrebbero essere sganciate armi di contrasto da parte di elicotteri e aerei (ma anche navi) distruggendolo.

Le ricerche proseguono
Oltre a Stati Uniti e Russia, anche l’Iran sta sviluppando armi similari (probabilmente retro ingegnerizzando il siluro russo Shkval), e la Germania sta studiando il suo Superkavitierender Unterwasserlaufkörper (“corpo supercavitante subacqueo”).

Non ultimi i Cinesi che stanno studiando presso l’Harbin Institute of Technology come utilizzare una “membrana liquida speciale” che riduca l’attrito alle basse velocità. Questo liquido viene inondato sull’oggetto per riempire la membrana mentre viene consumata dall’acqua.

Le modalità non sono ovviamente note. In teoria, la supercavitazione potrebbe in extremis consentire velocità fino alla velocità del suono che, sott’acqua, è di 1.482 metri al secondo (circa 3.320 nodi). A quella velocità, un arma subacquea potrebbe andare da Shanghai a San Francisco (circa 6.000 miglia) in meno di due ore. Ma lo stesso principio potrebbe essere applicato anche ad altri mezzi subacquei come droni e sottomarini nucleari. 

Li Fengchen, professore presso l’Istituto di Harbin, ha affermato che la tecnologia che stanno sviluppando non si limita all’uso militare e potrebbe favorire un domani il trasporto mercantile. Possiamo immaginare autostrade del mare dove navi superveloci trasportino a velocità molto elevate beni di consumo destinati ad un mondo sempre più affamato di risorse.

I Paesi in possesso di queste tecnologie avrebbero un vantaggio economico enorme sugli altri ma, nello stesso tempo, nascerebbero nuove sfide per il controllo marittimo delle rotte. 

Andrea Mucedola

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