“Il software per le simulazioni ipersoniche è sbagliato”. Scienziati cinesi fanno le pulci alla NASA

Un team di ricerca cinese afferma di aver scoperto un difetto potenzialmente fatale nel software di aerodinamica ipersonica della NASA.
Questa piccola lacuna in mezzo a equazioni ingarbugliate potrebbe portare a “risultati inevitabilmente errati” quando gli scienziati simulano e analizzano questioni importanti, come l’ablazione ad alta temperatura, ha affermato il team guidato dal Professor Liu Jun, ricercatore presso il Laboratorio di Tecnologia Ipersonica dell’Università Nazionale di Tecnologia della Difesa, in un articolo con revisione paritaria pubblicato sulla rivista accademica cinese Acta Aerodynamica Sinica il 14 marzo.

Quando la velocità di un aereo supera Mach 5, l’intenso attrito con l’aria genera temperature notevoli che possono ionizzare le molecole d’aria e innescare reazioni chimiche. Queste intricate reazioni possono erodere la superficie del velivolo e alterare la temperatura o la densità dell’aria circostante. Le imprecisioni nei dati di modellazione potrebbero avere profonde implicazioni per le prestazioni e la sicurezza del velivolo.

Il software citato nell’articolo di Liu, chiamato Vulcan-CFD, è stato sviluppato dal Centro di Ricerca Langley della Nasa. A causa del suo potenziale utilizzo nello sviluppo di armi ipersoniche, è soggetto a controlli di esportazione con distribuzioni limitate all’interno dei confini americani.

I ricercatori cinesi hanno ricavato le loro informazioni da un documento accademico pubblicato nel 2020, in cui il team di sviluppo del software della Nasa introduceva i principi di funzionamento di Vulcan e alcune equazioni chiave che utilizzava. Il software era “ben noto” all’industria, hanno detto Liu e i suoi collaboratori.

Liu, il cui laboratorio si trova a Changsha, nella provincia di Hunan, è stato affiancato nella ricerca da scienziati dell’Università di Ingegneria Aerospaziale dell’Esercito Popolare di Liberazione di Pechino e del Centro di Ricerca e Sviluppo Aerodinamico di Mianyang, nella provincia di Sichuan. Le tre istituzioni hanno contribuito al rapido sviluppo della tecnologia delle armi ipersoniche cinesi negli ultimi due decenni.

Il ritmo di sviluppo delle armi ipersoniche americane è in ritardo rispetto a quello di Cina e Russia e viene gradualmente superato da alcune nazioni più piccole. La Corea del Nord afferma di aver testato con successo il Hwangsong 16B, un missile ipersonico planante basato su terra, il 3 aprile.

Nel frattempo, il  test dek Long-Range Hypersonic Weapon (LRHW) dell’Esercito degli Stati Uniti, simile al missile nordcoreano, è fallito consecutivamente nel 2021 e nel 2022. I successivi tre lanci pianificati sono stati scartati o rinviati. Il programma ARRW non è stato rifinanziato.

ARRW su B52

Questi insuccessi hanno un prezzo molto alto. Solo per l’anno finanziario 2025, l’Esercito degli Stati Uniti ha richiesto ai contribuenti 1,28 miliardi di dollari “per consegnare un prototipo sperimentale con capacità di combattimento residua nel 2024”. L’Ufficio del Bilancio del Congresso degli Stati Uniti ha attribuito i progressi sfavorevoli alle alte temperature.

“La sfida fondamentale che rimane riguarda la gestione del calore estremo a cui i missili ipersonici sono esposti viaggiando ad alta velocità nell’atmosfera per la maggior parte del loro volo”, ha scritto l’ufficio in un rapporto dopo aver condotto un’indagine approfondita sui programmi americani di armi ipersoniche lo scorso anno.

“La schermatura dell’elettronica sensibile dei missili ipersonici, la comprensione delle prestazioni dei vari materiali e la previsione dell’aerodinamica a temperature sostenute fino a 3.000 gradi Fahrenheit richiedono test di volo approfonditi. I test sono in corso, ma i fallimenti degli ultimi anni hanno ritardato i progressi”, si legge.

Il team di Liu conferma di aver scoperto il difetto in un’equazione utilizzata dalla Nasa in Vulcan per descrivere i cambiamenti nella concentrazione di diversi componenti chimici, come l’ossigeno e l’azoto, nelle miscele di gas ad alta temperatura.
Questa equazione non tiene conto della miscelazione e del trasporto dei componenti causati dalla turbolenza su piccola scala quando le temperature cambiano rapidamente o oscillano.

A causa della complessità dell’aerodinamica ipersonica, alcuni moti su piccola scala possono essere trascurati dai progettisti di modelli a causa di una mancanza di comprensione o di calcoli troppo complessi da risolvere.

Un errore grave della NASA

Il team di Liu ha affermato nel suo documento che la mancanza di attenzione della Nasa a questi dettagli ha portato all’incapacità del software di prevedere con precisione la composizione chimica e i cambiamenti di temperatura sulla superficie del velivolo, il che potrebbe avere un impatto significativo sul lavoro di simulazione, progettazione o analisi che si basa sul software.

La Nasa è stata tra le prime istituzioni al mondo ad esplorare la tecnologia ipersonica e ha perfino coniato il termine che, per ironia fu generato da uno scienziato cines e che lavorava presso l’istituzione,  Qian Xuesen, il “padre dei razzi cinesi”, che lavorava al et Propulsion Laboratory (JPL) nel 1946.

Gli scienziati e gli ingegneri della Nasa hanno condotto molti studi pionieristici e test di volo in questo settore, ma negli ultimi anni ha sofferto di continui tagli al budget e di una fuga di cervelli. Un altro caso in cui il taglio al budget noon è coerente con lo sviluppo scientifico. Se il difetto fosse quelloo identificato dal tema cinese sarebbe una clamorosa svista che però spiegherebbe tutta la difficooltà degli USA nelloo sviluppo del volo ipersonico.