Perché gli aerei non volano più veloce?

Perché gli aerei non volano a velocità maggiori di quelle attuali? Ci avete mai pensato?

Confrontando la durata dei voli negli anni ’60 con quelli attuali viene fuori che il tempo impiegato da un aereo per raggiungere una determinata destinazione è praticamente lo stesso. Anzi, oggigiorno si passa più tempo in aereo a causa della maggiore congestione negli aeroporti.

Traffico aereo negli USA. Fonte.

È abbastanza contro-intuitivo pensare che la durata di un volo sia addirittura aumentata rispetto a mezzo secolo fa, mentre il progresso tecnologico ha letteralmente cambiato faccia al pianeta e ha stravolto la nostra routine quotidiana. C’è stato il caso del Concorde, l’aereo da trasporto supersonico anglo-francese, ma perché questo tipo di veicoli non sono diventati di comune utilizzo? Scopriamolo insieme.

Un rapido accenno sui motori degli aeroplani

Senza scendere troppo in dettaglio, vale la pena spendere due parole sulle caratteristiche dei motori utilizzati in aeronautica. Per lo scopo dell’articolo (e poiché questo non è assolutamente il mio campo di studi) semplificheremo molti concetti, non me ne vogliano gli ingegneri aerospaziali o gli appassionati di motori. È utile parlare delle caratteristiche principale di questi motori poiché ognuno di essi ha un range di velocità in cui l’efficienza è massima.

La turboelica

Un aereo passeggeri alimentato con due motori a turboeliche. Fonte.

Quando prendendo un volo ci si accorge che si deve salire su un aereo a turboeliche le reazioni possibili sono due: o ci si caca addosso o ci si eccita. I motori a turboelica sono molto comuni, la loro propulsione deriva quasi esclusivamente dal movimento dell’elica, che viene azionata da una turbina. Oltre a muovere l’elica, la turbina risucchia una piccola quantità di aria che viene accelerata ed espulsa, ma essa non raggiunge alte velocità e infatti contribuisce a meno del 10% della propulsione totale. Aeroplani dotati di turboeliche sono in generale meno costosi da acquistare e da mantenere, quindi sono comuni per i privati e le piccole compagnie. Ovviamente non raggiungono alte quote ed alte velocità e l’optimum di efficienza si raggiunge nel range 500-600 Km/h. Se si vuole volare più veloce ha più senso usare un motore a reazione.

La turboventola

Vista di un motore a turboventola di un aereo Ryanair. Fonte.

Gli aerei che usano motori a turboventola sono quelli a cui siamo più abituati. Gli aerei di linea di Ryanair, EasyJet, Alitalia e qualsiasi altra compagnia aerea sono dotati quasi sempre di questi motori. Durante l’imbarco e passando vicino al veicolo avete notato quella grande ventola sotto l’ala? Ecco, quella ventola è azionata da una turbina e ha il compito di convogliare l’aria all’interno del motore e poi espellerla ad alta velocità. L’aria risucchiata può seguire due percorsi: il cosiddetto flusso caldo, che va verso il nucleo del motore, nella camera che ospita compressore, combustore e turbina, questa è l’aria che, una volta espulsa, contribuisce di più alla propulsione; il flusso freddo attraversa invece la camera esterna alla turbina. Ora, su questo punto ci sarebbe il mondo da dire, ci sono diversi tipi di motore e molte più parti di quelle che ho descritto, avrete qualche dettaglio nel paragrafo successivo, ma a noi per ora basta sapere questo.

La massima efficienza delle turboventole è nel range di 650-1000 Km/h. In tale range cadono le velocità di crociera di quasi tutti i voli commerciali. Se si vuole andare più forte e raggiungere la velocità del suono, che a livello del mare e a 15°C è di circa 1200 Km/h (Mach 1), allora è meglio passare al motore a tubogetto.

Il turbogetto

Aereo militare alimentato da due motori a turbogetto (turbojet).

Il turbogetto è meno recente come motore rispetto alla turboventola, e come struttura è molto simile. In questo caso tutta l’aria passa attraverso la camera che ospita la turbina poiché non esiste una camera esterna. L’aria viene convogliata dalla ventola in una presa d’aria che inizia una prima compressione, e inviata poi al compressore che la comprime ulteriormente. Da qui viene inviata alla camera di combustione, dove si miscela con il combustibile nebulizzato dagli iniettori e il tutto viene incendiato da una candela. La combustione continua provoca un notevole innalzamento della temperatura dell’aria che, non potendo espandersi, viene indirizzata verso la turbina dove si espande cedendo a questa la propria energia e viene espulsa ad altissime velocità.

Schema di un motore a turbogetto. Fonte.

Siccome tutta l’aria risucchiata dall’elica viene accelerata, la propulsione è enorme, ma lo è anche il consumo di carburante. La massima efficienza di questi motori cade nell’assurdo range di 2000-2250 Km/h.

Il rapporto di diluizione (bypass-ratio)

L’efficienza dei motori a reazione, come gli ultimi due descritti, è legata al rapporto di diluizione. Ricordate quando nella turboventola parlavamo di flusso caldo e flusso freddo che sono praticamente i due percorsi che segue l’aria? Ecco, il rapporto di diluizione è il rapporto fra la quantità di aria che passa nella camera esterna e quella che passa da compressore, combustore e turbina.

Ora, costruire un motore con una ventola più grande, che spinge più aria nel motore, non sarebbe difficile e azionarla non richiederebbe tanta più energia di quella usata con una ventola normale. Ciò che farebbe aumentare a dismisura il consumo di carburante sarebbe l’aumentare il flusso di aria che passa dal nucleo del motore.

La regola di base è che maggiore è il rapporto di diluizione e più efficiente è il motore. Va da sé che un turbojet, non avendo una camera di bypass per il flusso freddo, ma facendo passare tutta l’aria per il nucleo del motore, avrà un rapporto 0:1.

Foto di un motore di ultima generazione General Electric GEnx con rapporto di diluizione 10:1.

Foto coatte di motori

Motori di ultima generazione come il General Electric GEnx, adoperati sui Boeing 787 Dreamliner e i 747-8i, sono super efficienti e con un rapporto di diluizione di 10:1. Ossia l’aria che passa nella camera esterna è 10 volte maggiore di quella che va nel nucleo del motore.

Boeing 787 Dreamliner.

Il motore CFM International CFM56, più datato e più inefficiente nei consumi, ha un rapporto di circa 6:1. Ci sono altri modelli con rapporti inferiori, fino ad arrivare al Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 che ha un rapporto di 0:1. Ormai saprete che questo è il rapporto di un turbogetto. E quale aereo di linea possedeva questi motori?

Esatto, il Concorde, che insieme al veicolo russo Tupolev Tu-144, chiamato scherzosamente “Concordoski” per la somiglianza al primo, furono i primi aerei civili a trasportare passeggeri oltre la velocità del suono. Ad onor di cronaca il Tu-144, comunque, compì il primo volo il 3 dicembre 1968, un paio di mesi prima del Concorde, superò Mach 1 nel giugno del 1969 (il Concorde nell’ottobre 1969) e Mach 2 nel maggio del 1970 (novembre 1970 per il Concorde).

Rolls-Royce/Snecma Olympus 593, notate come la ventola abbia le stesse dimensioni del resto del motore.

A riprova del discorso sul rapporto di diluizione e l’efficienza di un motore, i consumi del Concorde erano comunque assurdi, qualcosa come 13.2 Kg di combustibile per chilometro. Per confronto, il motore di ultima generazione prima citato, il GEnx, con rapporto 10:1, consuma 5.3 Kg per chilometro. Questo dato viene anche aggravato dal numero di passeggeri che il Concorde poteva ospitare: solo 100. Boeing come il Dreamliner ne ospitano 291. Quindi il consumo di carburante pro capite per chilometro nel Concorde era di 17 litri ogni 100 chilometri a differenza dei 2.3 l/100 Km del Dreamliner. La ridotta efficienza aveva ovviamente effetto anche sul prezzo del biglietto, tanto che un volo di tre ore e quaranta minuti da Parigi a New York veniva a costare qualcosa come 10000€.

Vera efficienza vs presunta efficienza

L’idea dietro al Concorde era quella di rendere efficiente una traversata oceanica accorciando da sette a tre le ore di volo. La minor durata del viaggio veniva accompagnata da un prezzo del biglietto molto alto e da sedili abbastanza scomodi e sacrificati. Insomma, il lusso di viaggiare su un Concorde non si rifletteva in un lusso di interni e, quando nel 2003 il progetto fu chiuso, esistevano già compagnie aeree che per cifre molto più economiche facevano viaggiare in prima classe con sedili comodissimi.

Ma che ne sa Ryanair…

L’idea di attraversare l’Oceano di notte, addormentandosi in Europa su un sedile orizzontale, e svegliandosi negli USA il mattino seguente senza aver speso un capitale, non era meno allettante di quella di un viaggio sull’aereo supersonico.

Per una compagnia aerea avere aerei da trasporto supersonici non conviene economicamente. Nella psicologia di un passeggero, il prezzo di un volo ha molta più rilevanza della durata del volo stesso. Se vi dicessero che il volo per Londra da domani dura un’ora in più non credo che la cosa vi frenerebbe dall’andarci. Se vi dicessero che da domani i biglietti per Londra costano 1000€, col cazzo che ci andreste a passarci un weekend!

Concludendo

Visto quanto detto, gli aerei da trasporto odierni viaggiano ad una velocità che ne consente di massimizzare l’efficienza. Questa velocità cade nel range 800-900 Km/h.

Potrebbero andare un po’ più veloce? Sì, ma più ci si avvicina alla velocità del suono più il flusso d’aria attorno al veicolo si destabilizza, quindi conviene volare o sopra i 1200 Km/h o sotto. Inoltre volare nel range 0.8-1.2 Mach consuma più carburante che volare a velocità maggiori di Mach 1.2! E volare a velocità maggiori di Mach 1.2 consuma un boato di carburante.

Attraversare l’Atlantico in 3 ore ha sicuramente un certo effetto, ma è molto più di impatto poter viaggiare da una parte all’altra del mondo con poche centinaia di euro pur generando un profitto per le compagnie aeree.

Che ne pensate?

(Giuro che ora torno a parlare di genetica, animali e piante!)

Cheers

Giovanni Cagnano

Plant Breeder di mestiere, divulgatore per hobby. Il mio percorso di studi comincia con Biotecnologie Agro-Industriali a Ferrara per proseguire a Perugia nella magistrale di Biotech Agrarie. Dopo un Erasmus in Danimarca in cui ho lavorato al mio progetto di tesi, mi è stato offerto un Industrial PhD finanziato da una borsa Marie Skłodowska-Curie presso l'azienda sementiera DLF. Sono attualmente rientrato in Italia per lavorare come breeder.

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