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 di moto ed energia (4.5 h); - modelli per la descrizione dell'interazione gas/superficie (1.5 h) - modelli per la descrizione del riscaldamento radiativo (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;

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

Exam: Written test; 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; le simulazioni numeriche saranno svolte durante le esercitazioni dagli studenti stessi. Criteri, regole e procedure per l'esame L’esame è finalizzato ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale dell’insegnamento, nonché la capacità di applicare la teoria e i relativi modelli all’interpretazione dei risultati di simulazioni di fluidodinamica computazionale in regime ipersonico. La valutazione è espressa in trentesimi e l’esame è superato con una votazione non inferiore a 18/30. L’esame si articola in una prova scritta e una prova orale, che contribuiscono alla determinazione del voto finale rispettivamente per due terzi e un terzo. La prova scritta comprende due sezioni: una costituita da domande a risposta multipla e una da domande a risposta aperta guidata. In quest’ultima vengono proposti due temi generali, ciascuno articolato in una serie di quesiti specifici, ai quali lo studente risponde per iscritto. La sezione a risposta multipla comprende normalmente 14 domande, del valore di 0,5 punti ciascuna, per un totale di 7 punti. La sezione a risposta aperta verte su due macro-temi affrontati durante il corso, ciascuno dei quali è normalmente articolato in 7–8 quesiti, il cui peso varia in funzione dell’argomento. Indicativamente, ciascun macro-tema vale complessivamente 13 punti. Il numero delle domande e i punteggi attribuiti alle diverse sezioni potranno subire lievi variazioni, senza modificare in misura significativa la struttura e il peso relativo delle diverse parti della prova. Il punteggio massimo complessivo della prova scritta è pari a 33 punti. Un punteggio inferiore a 18 nella prova scritta comporta il mancato superamento dell’esame. Ai fini del calcolo del voto finale, il punteggio della prova scritta viene moltiplicato per due terzi e quindi riportato in ventesimi. Poiché nella prova scritta possono essere conseguiti fino a 33 punti, il contributo dello scritto al voto finale può raggiungere un massimo di 22 punti. La prova orale consiste nella discussione di una delle esercitazioni svolte durante il corso. All’inizio del colloquio lo studente potrà prendere visione della correzione della propria prova scritta; successivamente, gli sarà richiesto di illustrare e discutere una delle esercitazioni trattate. Alla prova orale possono essere attribuiti normalmente fino a 10 punti. Un undicesimo punto può essere assegnato in caso di una discussione eccezionalmente brillante. Il voto finale è ottenuto sommando il punteggio attribuito alla prova orale a quello della prova scritta. A un punteggio complessivo di 32 o 33 è assegnata la lode; in caso di un punteggio pari a 31, la lode può essere attribuita a discrezione della commissione.

Gli studenti e le studentesse con disabilita 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'Unita Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione piu idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.