Supercavitazione

Nelle discussioni sulla dinamica dei fluidi o meglio di idrodinamica e in particolare di eliche, spesso si sente parlare di cavitazione che è un fenomeno spesso confuso con quello dell’aerazione, cioè aspirazione di aria dalla superficie, il cosiddetto “frappè”, quando a poppa dello scafo si nota una scia di acqua emulsionata.

In questo caso può essere sufficiente inserire una barriera fissa tra l’elica e la superficie come nei piedi dei motori fuoribordo.

La cavitazione è la fonte di rumore e sopratutto di erosione spesso molto profonda, delle pale di un’elica totalmente immersa, che viene scambiata come erosione da corrente galvanica. Questo fenomeno che si presenta quando un corpo immerso in un liquido si muove con una velocità superiore ad un certo limite dipendente dalla forma (profilo) o dalle proprietà del liquido in cui esso si muove, come le pale di un’elica in acqua. Le molecole di liquido aderenti alle superfici solide del corpo immerso o nei confini del liquido, “rimangono ferme” anche quando il corpo è in moto.

Tra i filetti liquidi aventi diverse velocità o tra filetti e superficie solida, si crea una specie di resistenza di taglio dovuta alla viscosità (strato limite).

I liquidi reali liberano, con l’abbassarsi della pressione, una quantità di gas in essi disciolti e si vaporizzano quando la pressione esercitata su di essi si trasforma in temperatura normale, minore della tensione di vaporizzazione del liquido stesso. Tale pressione è per l’acqua di mare a temperatura ordinaria, di circa 0,2 kg/cmq.

La cavitazione si manifesta con particolare evidenza nelle eliche. Infatti, quando la pressione sulla faccia anteriore della pala assume un valore inferiore alla pressione citata, lo strato limite del liquido, cioé quello strato sottile di liquido entro cui la velocità della corrente, al contatto con una parete solida, diminuisce fino ad annullarsi e si stacca dalla parte anteriore della pala, lasciando uno spazio pieno di gas o vapore, generando così il fenomeno. Quando tale spazio si richiude sulla superficie della pala stessa ed entra in collasso, si dice che l’elica è entrata in cavitazione.

Se invece aumentando ancora la velocità questo spazio di depressione si prolunga oltre la superficie dell’elica, si dice che questa è in fase di “super cavitazione” e sono noti i vantaggi e i rendimenti delle eliche supercavitanti, semi sommerse o di superficie.

Trasferiamo ora la super cavitazione non sulla pala dell’elica, ma sulla superficie di un sottomarino che abbia una velocità iniziale superiore al valore critico di cavitazione, cioè in super cavitazione. Quindi, avvolto interamente in uno spazio o bolla di gas che consente di navigare “senza resistenza di attrito“.

Considerando che in un mezzo subacqueo la resistenza all’avanzamento e costituita dall’attrito, in assenza di resistenza d’onda o di appendici, un mezzo subacqueo avvolto in una bolla di gas cessa di essere sottoposto ai vincoli di raggiungimento di altissime velocità, che in termini di potenza sono proporzionali al quadrato o al cubo della velocità.

E’ chiaro che queste condizioni si verificano fino a quando si mantiene questa velocità supercritica, alla quale si manifesta il collasso della “bolla”.

Pertanto, in fase di accelerazione sarebbe necessario innescare inizialmente il fenomeno con un “cavitatore“, una ogiva con profilo conico semisferico e con bordi molto affilati situata sulla prua del nostro sottomarino, la cui funzione sarà quella di creare la “bolla” che si estenderà per tutta la lunghezza del sottomarino. E’ stato verificato che la velocità di innesco si verifica ad una velocità minima di 50 mt/sec, cioè equivalente a 100 Nodi.

A questo punto è necessario tener presente che, parlando in termini di “super” cioè oltre la velocità di propagazione del suono in aria, la velocità del suono è di circa 340 mt/sec. cioè circa 700 Nodi, mentre in acqua è di 1500 mt/sec., circa 3ooo Nodi che in termini più attuali corrispondono a 5.400 Km/h , velocità già raggiunte sperimentalmente in laboratorio.

Questa piccola definizione sulle velocità in aria o in acqua è necessaria come corollario alla notizia che l’Agenzia DARPA, Defence Advanced Research Projects, in collaborazione con General Dynamics Electric Boats – Northrop e Grumman, stanno portando a termine lo studio di un DSST, Demonstration Superfast Supercavitating Transport, un veicolo subacqueo sperimentale da 60 tonn, avente un diametro di 2,5 mt e in grado di operare alla velocità di 50 mt/sec, cioè oltre 100 nodi.

Siamo quindi prossimi al superamento della barriera della velocità del suono?

“Cui prodest?” E’ l’ eterna domanda che si è posto Santos Dumont quando è riuscito a staccarsi dal suolo con una macchina volante o di Fermi quando è riuscito a controllare la scissione nucleare. Nessuno di loro si è posto questa domanda, anche se oggi un bombardiere volante può sganciare su di noi una bomba termonucleare. Forse i ricercatori hanno una limitata visione del futuro? Pare di no!

All’ IMDEX (International Maritime Defence Exipition) di Singapore, la società tedesca Dihel BGT Defence ha presentato il suo siluro con propulsione a razzo “Barracuda”, accreditato di una velocità prossima ai 400 nodi.

Noi inguaribili ottimisti pensiamo già ad un “Concorde Subacqueo“.