Un veicolo spaziale che penetra nell'atmosfera di un pianeta, così come una nuova classe di aeromobili ad alta velocità, vola nel regime ipersonico. Come suggerisce il termine stesso, questo regime di volo è caratterizzato da velocità molto superiori a quella del suono. Convenzionalmente, quando un oggetto si muove ad una velocità superiore a quella definita da un numero di Mach compreso tra 5 e 7, si considera che operi nel regime ipersonico. L'aerodinamica del regime ipersonico è caratterizzata da specifici fenomeni fisici che la differenziano da quella dei regimi subsonico, transonico e basso supersonico. Prevale la presenza di forti onde d'urto, che possono interagire tra loro e con lo strato limite. Lo stesso strato limite è, in buona parte, costituito da una corrente ad alta velocità. In generale, il gas che circonda un corpo in volo ipersonico subisce una intensa compressione, accompagnata da un significativo aumento di temperatura, attraverso le onde d'urto. La temperatura può ulteriormente aumentare all'interno dello strato limite a causa dell'attrito viscoso. Quando un gas raggiunge temperature molto elevate, è necessario tenere conto di gradi di libertà energetici generalmente non eccitati a temperature più basse, e la composizione stessa della miscela gassosa cambia, poiché avvengono reazioni chimiche nel gas. Inoltre, il gas può diventare una sorgente di radiazione elettromagnetica. I fenomeni appena descritti hanno un impatto significativo sul progetto aerodinamico di un velivolo destinato al volo ipersonico. In queste condizioni, il velivolo avrà bisogno di un sistema di protezione termica e la sua traiettoria dovrà essere studiata in modo tale da non generare flussi termici a parete che il sistema di protezione termica non sarebbe in grado di sopportare. Gli stessi coefficienti aerodinamici che caratterizzano il velivolo saranno influenzati dai vari fenomeni fisici in gioco. Il corso si concentra sulla descrizione dei modelli fisici adottati per modellare il comportamento di un gas che lambisce un corpo in movimento in regime ipersonico, con l'obiettivo di comprendere i principali effetti di alta temperatura che agiscono su un velivolo. Sarà prestata attenzione anche all'effetto che i fenomeni studiati hanno sul progetto aerodinamico di un velivolo ipersonico, tenendo particolarmente conto del sistema di protezione termica e dell'analisi della traiettoria di volo.

Al termine dell’insegnamento si chiederà allo studente di - sapere descrivere fenomenologicamente i fenomeni fisici che caratterizzano l'aerodinamica ipersonica; - sapere descrivere i modelli fisici adottati per descrivere i fenomeni fisici di cui sopra; - sapere interpretare i risultati ottenuti da simulazioni numeriche di flussi ipersonici sula base della fenomenologia e della modellistica fisica studiata nel corso.

Conoscenze di base dell'aerodinamica e della gasdinamica, acquisite in corsi quali "Aerodinamica" o "Aerodinamica Applicata" e Gasdinamica. Gli studenti che hanno frequentato il corso di Fluidodinamica Computazionale potrebbero trovare maggiore facilità nell'approccio alle esercitazioni.

Durante il corso verranno trattati i seguenti argomenti, a cui verranno dedicate indicativamente le ore di lezione inserite tra parentesi: - breve storia del volo ipersonico e classificazione dei velivoli ipersonici (1.5 h) - breve visione generale dei fenomeni che caratterizzano il volo in regime ipersonico (1.5 h) - onde d'urto curve, interazioni tra urti (6.0 h) - strato limite compressibile ad alta velocità (6.0 h) - modelli per la descrizione dell'energia interna di un gas ad alta temperatura (6.0 h); - modelli per la descrizione dei fenomeni chimici in un gas ad alta temperatura (6.0 h); - modelli per la descrizione dei fenomeni di trasporto di massa, quantità ed energia (6.0 h); - modelli per la descrizione dell'interazione gas/superficie (3.0 h) - modelli per la descrizione del comportamento di uno scudo termico ablativo (6.0 h); - esercitazioni al calcolatore in cui i modelli sopra descritti sono implementati (complessivamente 18 h)

L’insegnamento è strutturato in: - 42 ore di lezione in aula, in cui saranno illustrati i temi descritti in dettaglio nel programma del corso; - 18 ore di esercitazione in laboratorio di informatica, nella quale saranno utilizzati strumenti di calcolo numerico in cui sono stati implementati alcuni tra i modelli descritti nelle ore di lezione; gli studenti dovranno realizzare una breve relazione contenente tutti i temi toccati ad esercitazione, che non sarà valutata direttamente né prima, né in fase di esame, ma servirà come base per porre una domanda relativa alle attività svolte nelle esercitazioni.

I temi trattati nel corso sono illustrati nelle dispense fornite dal docente sotto forma di slides molto dettagliate. Per approfondimenti, si consiglia il testo: - Anderson John D. Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics. Sia l'edizione di McGraw-Hill del 1989, sia quelle più recenti edite dalla AIAA, fino alla terza edizione del 2019, vanno bene.

Slides; Strumenti di simulazione;

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

Exam: Compulsory oral exam;

... Risultati di apprendimento attesi: - sapere descrivere fenomenologicamente i fenomeni fisici che caratterizzano l'aerodinamica ipersonica; - sapere descrivere i modelli fisici adottati per descrivere i fenomeni fisici di cui sopra; - sapere interpretare i risultati ottenuti da simulazioni numeriche di flussi ipersonici sula base della fenomenologia e della modellistica fisica studiata nel corso. Criteri, regole e procedure per l'esame L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale dell'insegnamento e la capacità di applicare la teoria ed i relativi modelli per interpretare i risultati di simulazioni di fluidodinamica computazionale in regime ipersonico. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. L'esame consiste in una prova orale in cui verranno poste 3 domande, due sulla parte teorica del corso, spiegata a lezione, ed una sull'attività svolta durante le esercitazioni.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.