Dirigibili del XXI secolo
DIRIGIBILI DEL 21° SECOLO
(Traduzione dell’articolo "Airschips for the 21st Century" di Ron Hochstetler)
Gli abitanti di Caribu nel Maine che hanno avuto l’opportunità di guardare al di sopra della Loring Base dell’Air Force, hanno recentemente dato uno sguardo al futuro, sebbene possano aver pensato che stavano osservando qualcosa del passato. Gli ingegneri della mia compagnia (Science Applications International Corp. SAIC) hanno condotto voli di prova con un nuovo tipo di veicolo più leggero dell’aria.
In apparenza lo Skybus 80K ha la stessa sagoma oblunga del dirigibile della Goodyear, ed è basato sugli stessi principi di volo dei dirigibili applicati fin dall’800. Ma questo dirigibile, uno dei numerosi veicoli commerciali e militari che in questo momento sono in fase di sviluppo, rappresenta un’evidente rottura con la tradizione. A differenza dei dirigibili del secolo scorso, questi nuovi veicoli sono stati progettati per sollevare pesanti carichi, per rimanere in volo per delle settimane o anche dei mesi di seguito, e per volare senza pilota, e il tutto consumando molto meno energia rispetto un convenzionale aeroplano o veicolo senza pilota. Il Predator, per esempio, può trasportare un carico utile di 340 kg in una tipica missione di più di 40 ore. Lo Skybus 1500E della SAIC è stato progettato per trasportare un carico tre volte più grande e per rimanere in volo per più di 21 giorni.
I rinnovati investimenti nei dirigibili capitano nel momento in cui è sotto osservazione l’impatto sull’ambiente di tutti i mezzi di trasporto. Alcuni visionari oggi sostengono che non si può continuare ad usare esclusivamente carburanti a base di petrolio per fa viaggiare i mezzi aerei. Queste preoccupazioni hanno spronato nuove ricerche sui biocarburanti per jet e su motori a reazione più efficienti. Abbiamo inoltre cominciato a capire che non tutti i voli devono andare a 800 km all’ora. Per alcuni scopi gli aeroplani non possono competere con i dirigibili.
I progettisti dei moderni dirigibili hanno come obiettivo due diverse pressanti esigenze: controllo, sorveglianza e osservazione del territorio, e trasporto di carichi in luoghi irraggiungibili dai convenzionali mezzi di trasporto. Per esempio, i dirigibili sono ideali per il monitoraggio continuo di siti dove vengono sperimentati ordigni esplosivi o razzi. Inoltre sono eccellenti per l’individuazione a distanza di oggetti aerei minacciosi. Questo è il motivo per cui, in giugno, l’esercito americano ha sottoscritto un contratto per 517 milioni di dollari con la Norton Grumman e la ditta britannica Hybrid Air Vehicles per la costruzione di tre dirigibili, ciascuno lungo come un campo da calcio, per monitorare le minacce impreviste in Afghanistan. I dirigibili cargo, frattanto, sono particolarmente attraenti per zone che hanno strade insufficienti o per regioni remote che non hanno strade per niente. Ad una conferenza sui trasporti cui ho partecipato di recente nel Nord Ovest del Canada, i rappresentanti di compagnie minerarie ed i leader delle comunità hanno manifestato un grande interesse per l’uso di dirigibili per trasportare equipaggiamenti e rifornimenti verso villaggi e avamposti distanti. Questi bisogni stanno trascinando la reinvenzione del dirigibile.
Un dirigibile vola innanzi tutto in base al principio di Archimede, che descrive la spinta idrostatica di un corpo immerso in un fluido più denso. A causa di ciò, un dirigibile è più simile ad un sottomarino che ad un elicottero. Queste macchine volanti devono generare il 100% della loro portanza con il flusso dell’aria sopra le ali o le pale del rotore. Un dirigibile, invece, impiega un gas non infiammabile più leggero dell’aria come l’elio per la spinta ascensionale. Quando il gas leggero sposta un volume di aria che pesa più di tutto il dirigibile (incluso il carburante e il carico), il dirigibile si solleva. La forza sollevante è conosciuta come spinta idrostatica. Per esempio, per sollevare un chilogrammo al livello del mare, il dirigibile ha bisogno di un metro cubo di gas elio. Il dirigibile pesa naturalmente molto di più; lo Skybus che ha recentemente volato nel Maine pesa a vuoto 1600 kg.
Il gas sollevante è contenuto all’interno dell’involucro, un grande contenitore di forma aerodinamica, di tessuto leggero e ruvido. Dentro l’involucro ci sono uno o più camere più piccole, chiamate ballonets, che ordinariamente sono piene d’aria. Al suolo delle ventole elettriche pompano aria dentro i ballonets fino a che la pressione dell’elio che li circonda supera quella dell’atmosfera del margine veramente piccolo di circa 480 pascal. I ballonets occupano dal 25 al 50% del volume totale del gas del dirigibile. L’uscita controllata di aria tramite apposite valvole crea spazio all’interno dell’involucro per l’espansione dell’elio, e il dirigibile si solleva.
Quando il dirigibile comincia a salire, la diminuzione della pressione atmosferica produce nell’elio contenuto nel dirigibile una ulteriore espansione. Una volta che l’aria dei ballonets è uscita, il dirigibile non può salire più in alto senza o scoppiare o far uscire dell’elio. Questa è conosciuta come la quota della pressione del dirigibile. Per scendere il dirigibile usa le sue ventole elettriche per soffiare l’aria dentro i ballonets.
Questo sistema di governo dei gas deve mantenere costantemente l’elio ad una pressione leggermente superiore a quella dell’atmosfera circostante, allo scopo di mantenere la forma aerodinamica dell’involucro. Se salire e scendere fosse tutto quello che un dirigibile deve fare, la combinazione di gas e ballonets sarebbe sufficiente. Ma un dirigibile ha bisogno anche di una certa quantità di potenza e propulsione, per poter navigare e per alimentare il sistema elettronico e delle comunicazioni e per le manovre direzionali. La maggior parte degli attuali dirigibili usano i tradizionali motori a benzina, ma un numero crescente di ingegneri è alla ricerca di sistemi di propulsione e alimentazione alternativi. Un’idea è un sistema rigenerativo incorporante celle fotovoltaiche e celle a combustibile, in cui celle a combustibile userebbero l’idrogeno producendo vapore acqueo. L’energia solare può essere usata per separare l’acqua nei suoi componenti; poi l’idrogeno alimenterebbe le celle a combustibile.
Quasi tutti i dirigibili che volano oggi hanno una struttura non rigida. Per contrasto i dirigibili giganti degli anni Trenta, di cui l’Hindenburg è l’esempio più significativo, avevano uno scheletro interno rigido di alluminio e legno. Dentro quest’armatura c’erano una dozzina o più di camere piene di gas lievitante. Quel periodo vide anche lo sviluppo di strutture semirigide, che tipicamente avevano una robusta chiglia di alluminio che andava per tutta la lunghezza dalla punta alla coda, per servire da ancoraggio per i singoli compartimenti del gas e per distribuire la forza sollevante di ogni cella in maniera uniforme. Gli unici dirigibili semirigidi che volano oggi sono gli Zeppelin NT series, che hanno iniziato la loro attività nei tardi anni Novanta, e che sono usati principalmente per escursioni turistiche e pubblicità.
Sebbene i dirigibili non rigidi non siano appesantiti da una struttura interna, essi devono ancora sostenere i gas, il tessuto e le altre componenti, così come ogni carico trasportato. Naturalmente, più grande è il peso del dirigibile, maggiore deve essere il volume del gas sollevante e maggiore la dimensione dell’involucro. Se la dimensione aumenta, aumenta anche la superficie dell’involucro del veicolo e di conseguenza la resistenza aerodinamica durante il volo. Questi e altri fattori determinano la potenza necessaria per far viaggiare il dirigibile attraverso il cielo.
Sebbene la maggior parte dei dirigibili attuali abbiano dei piloti a bordo, un numero crescente dei più recenti progetti prevede la guida senza pilota, nel senso che l’equipaggio può guidarli durante le prove di volo o le fasi iniziali dello sviluppo, e poi viene dirottato sul controllo remoto. Inoltre sono in fase di sviluppo diversi dirigibili completamente senza pilota. Uno degli usi principali già oggi è quello della sorveglianza del campo di battaglia. Questi dirigibili trasportano strumenti per diversi tipi di riprese filmate e rilevazioni di dati, ad un’altezza da 1.500 a 5.500 m in missioni che durano 24 ore o più. Il Guardian Flight Sistem, con base in Nord Carolina, ha sviluppato il pilota automatico Polar 400 per il Dipartimento della Difesa degli S.U. Nella categoria completamente senza pilota si trova il dirigibile SAIC Skybus 80K, che ha condotto in remoto più di 62 ore di prove di volo nel Maine. Ad oggi lo Skybus 80K è l’unico dirigibile senza equipaggio che può vantare una designazione a scopo di ricerca della Federal Aviation Administration. Esso ha un volume di gas di 2.300 m cubi ed è progettato per trasportare 230 kg di strumenti di osservazione all’altezza di 3.000 m per più di 24 ore.
Più ambizioso è il Long Endurance Multi-Intelligent Vehicle dell’Esercito americano. Il LEMV trasporterà 1.100 kg di carico utile a più di 6.000 metri per un periodo di più di 21 giorni senza bisogno di rifornimenti. Il suo primo dispiegamento avverrà in Afghanistan nel tardo 2011 o all’inizio del 2012. Numerose ditte che lavorano nel campo militare sono in concorrenza tra loro per il contratto del LEMV. Ma due mesi fa, un contratto di 5 anni uno dei principali contratti riguardanti i dirigibili stipulati dalla Seconda guerra mondiale è andato alla Northrop Grumman e a Hybrid Air Vehicles.
Per operare nell’atmosfera rarefatta delle grandi altezze e per lunghi periodi di tempo, un dirigibile deve essere leggero (almeno rispetto a quelli che volano più basso) e deve avere un efficiente sistema di propulsione che possa funzionare con poco o niente ossigeno. Altrettanto essenziale è un disegno che minimizzi la resistenza aerodinamica, e questa è la ragione del perchè i dirigibili d’alta quota hanno quasi sempre la familiare forma ellissoidale. Tra le soluzioni che vengono considerate per fornire la potenza necessaria ai dirigibili d’alta quota, ci sono i motori elettrici accoppiati con batterie agli ioni di litio, celle a combustibile a idrogeno e film flessibili fotovoltaici, che copriranno la parte superiore dell’immensa superficie del dirigibile. Ciascuna di queste opzioni deve pesare di meno ed essere più efficiente rispetto ai motori tradizionali.
Volare più in alto e più a lungo con un carico più pesante di sensori è l’obiettivo a lungo termine dei leader militari che vedono il moderno dirigibile come un inaccecabile e sempre presente occhio nel cielo. All’interno del programma da 149 milioni di dollari del Dipartimento della Difesa per i dirigibili d’alta quota, la divisione Sistemi Marittimi e Sensori della Locheed con sede ad Akron in Ohio, sta esplorando il modo di costruire un dirigibile in grado di trasportare 230 chili di sensori nella stratosfera, all’altezza di 18 Km, dove dovrebbe rimanere per un mese ogni volta. A questa altitudine un dirigibile potrebbe monitorare un pezzo di territorio del diametro di 1.200 km. Solo 11 di loro potrebbero assicurare la copertura radar della costa e dei confini terrestri meridionali degli S.U., secondo quello che dichiara il Comando della difesa aerospaziale del Nord America.
Se questo programma sembra ambizioso, si consideri il dirigibile proposto per l’alta quota conosciuto come Integrated Sensor Is Structure o ISIS. All’interno di questo programma da 400 milioni di dollari fondato congiuntamente dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e della U.S. Air Force, la Skunk Works della Locheed sta costruendo un dirigibile stratosferico senza equipaggio alimentato da pannelli fotovoltaici e celle a combustibile che dovrebbe essere in grado di operare a 21 km di altezza per più di 10 anni alla volta. Un prototipo alla scala di 1/3, lungo quanto un campo da football, è previsto che voli nel 2013.
Ciò che rende unico ISIS è l’integrazione dei suoi strumenti di osservazione un radar UHF per monitorare veicoli e soldati sul terreno e un radar a raggi X per individuare missili da crociera a più di 600 km di distanza dentro il corpo del dirigibile. Secondo la Raytheon che sta costruendo i radar, le antenne radar formano un cilindro nel centro del dirigibile. Integrando il sistema strumentale nella struttura, il progetto riduce il peso del dirigibile e aumenta la rigidità strutturale. Anche così ll’esigenza di una missione della durata di 10 anni a grande altezza avrà bisogno di materiali estremamente durevoli quanto leggeri materiali che ancora non esistono. In più il suo sistema di alimentazione avrà bisogno di pannelli fotovoltaici più avanzati e di celle a combustibile in grado di generare abbastanza potenza per le necessità dei radar, del sistema di navigazione, dei dispositivi per le comunicazioni, e dei motori elettrici che faranno ruotare i propulsori giganti del dirigibile.
Mentre i futuri dirigibili stratosferici di sorveglianza potranno trasportare carichi relativamente piccoli, alcuni dirigibili attualmente in fase di sviluppo solleveranno grossi pesi carichi di centinaia di tonnellate, sebbene ad un’altezza minore. Ciò comporta una quantità di sfide interamente diverse.
Un dirigibile progettato per trasportare 50 tonnellate di carico dovrebbe essere lungo centinaia di metri e pesare decine di tonnellate mentre giace vuoto di elio sul pavimento della fabbrica. La sola dimensione è tale da rendere l’assemblaggio un compito molto impegnativo. Questi nuovi veicoli dovranno probabilmente essere costruiti in sezioni più piccole che dovranno poi essere congiunte insieme in immensi hangar.
Un’esigenza critica è come compensare l’improvviso aumento della spinta statica verso l’alto che si ha quando viene scaricato un pesante carico. Il rimedio più diretto è quello di introdurre nel dirigibile una quantità di peso pari a quello del carico che viene rimosso.
Alcuni progettisti di dirigibili pesanti stanno sviluppando veicoli ibridi. Questi integrano la spinta statica dell’elio con qualche forma di spinta dinamica, come dei rotori tipo elicottero o delle ali come gli aeroplani. Nella maggior parte di questi progetti l’elio è sufficiente per sollevare il peso del veicolo, mentre la spinta dinamica serve per sostenere il peso del carico. Questo produce un mezzo che è leggermente più pesante dell’aria e così è molto meno leggero quando il carico viene scaricato.
La Skunk Works della Lockeed ha fatto le prime prove di volo con il prototipo di dirigibile ibrido P-791 nel 2006. Questo mezzo ha due propulsori all’esterno dell’involucro e due attaccati alla coda. Questi generano circa il 20% della portanza quando il velivolo sta volando in avanti. Altri dirigibili ibridi in fase di sviluppo includono gli SkyCat, che saranno la base dei LEMV dell’Esercito Americano; il Wordwide Aeros Corporations Aeroscraft, che è stato recentemente sottoposto alla FAA (Federal Aviation Administration) per la certificazione del progetto; e lo sperimentale Dinalifter, per il quale sono in corso delle prove di volo da parte della Ohio Airships.
Mentre questi ibridi costituiscono una promessa, essi comportano anche qualche sfida tecnica. In primo luogo la maggiore spinta dinamica aumenta la resistenza aerodinamica. Inoltre per generare la spinta dinamica essi tipicamente hanno un profilo più schiacciato rispetto ai tradizionali dirigibili, ma questa forma aumenta la quantità del tessuto dell’involucro rispetto al volume del gas, aumentando il peso a vuoto del dirigibile. Peso più alto e maggiore resistenza, naturalmente, significano una maggiore potenza propulsiva e più carburante, ed entrambi rendono il mezzo ancora più pesante. Alcuni ibridi incorporano nel progetto lobi multipli che possono creare problemi quando i gas all’interno si scaldano a causa della radiazione solare. L’elio conduce il calore sei volte meglio dell’aria, cosicchè gli ibridi con molti lobi tendono a spostarsi verso il lato non esposto al sole.
Forse il più grande problema, comunque, sono i possibili movimenti di beccheggio e rollio degli ibridi. Un convenzionale dirigibile a corpo unico evita questo problema perchè la maggior parte del gas è posizionato proprio sopra il suo centro di gravità, impartendo quella che è conosciuta come stabilità del pendolo. Più alto è il centro del punto di sollevamento, più stabile è il dirigibile; all’opposto, più basso è questo punto rispetto al baricentro, maggiore è la tendenza al beccheggio in caso di raffiche di vento.
Per fronteggiare questi problemi, la Boeing e la compagnia canadese SkyHook International stanno collaborando a un diverso approccio: un dirigibile ibrido con rotori. Esso combina un convenzionale involucro ellissoidale con quattro unità motrici da elicottero, che sono installate sotto l’involucro dell’elio. L’elio è sufficiente per sostenere il peso del veicolo, lasciando tutta la potenza dei rotori per sollevare un carico da 36 tonnellate. Una prima applicazione dello SkyHook (che significa ”gancio del cielo’) è per il trasporto di equipaggiamenti e rifornimenti per l’attività di ricerca di petrolio nel Canada settentrionale.
Per incentivare altri progressi nei progetti di sollevamento di carichi pesanti, io e altri entusiasti dei dirigibili stiamo organizzando iniziative internazionali per promuovere lo sviluppo di dirigibili come una forma di trasporto di carichi commerciali sostenibile e a bassa emissione di carbonio. Il Zero Emission Transport Airship Prize, o Z-Prize, simile al più familiare X-Prize, vuole offrire una grossa ricompensa in denaro per lo sviluppo con successo, e relative prove di volo, di un dirigibile per carichi pesanti che soddisfi ai criteri della competizione. Speriamo di convincere gli sviluppatori di dirigibili a focalizzare i loro sforzi nella progettazione di dirigibili cargo al costo di produzione che avrebbero le loro principali applicazioni nelle regioni in via di sviluppo posti dove i trasporti a noleggio con i sistemi tradizionali sono difficoltosi e eccessivamente costosi o soggetti a interruzioni da parte di criminali o di terroristi. E incentivando i progetti di dirigili a bassa emissione di carbonio, noi speriamo inoltre di incoraggiare la creazione del primo sistema di trasporto ambientalmente sostenibile. E’ un momento eccitante per un ingegnere che progetta dirigibili. Questi veicoli rappresentano sia la forma più vecchia che quella più recente di mezzo aereo. Essi sono inoltre una tecnologia aviatoria che deve ancora essere pienamente sfruttata. Mentre alcuni negazionisti possono pensare che l’era di questi leviatani sia da tempo superata, di fatto il loro giorno sta appena albeggiando.
(Traduzione dell’articolo "Airschips for the 21st Century" di Ron Hochstetler)
Gli abitanti di Caribu nel Maine che hanno avuto l’opportunità di guardare al di sopra della Loring Base dell’Air Force, hanno recentemente dato uno sguardo al futuro, sebbene possano aver pensato che stavano osservando qualcosa del passato. Gli ingegneri della mia compagnia (Science Applications International Corp. SAIC) hanno condotto voli di prova con un nuovo tipo di veicolo più leggero dell’aria.
In apparenza lo Skybus 80K ha la stessa sagoma oblunga del dirigibile della Goodyear, ed è basato sugli stessi principi di volo dei dirigibili applicati fin dall’800. Ma questo dirigibile, uno dei numerosi veicoli commerciali e militari che in questo momento sono in fase di sviluppo, rappresenta un’evidente rottura con la tradizione. A differenza dei dirigibili del secolo scorso, questi nuovi veicoli sono stati progettati per sollevare pesanti carichi, per rimanere in volo per delle settimane o anche dei mesi di seguito, e per volare senza pilota, e il tutto consumando molto meno energia rispetto un convenzionale aeroplano o veicolo senza pilota. Il Predator, per esempio, può trasportare un carico utile di 340 kg in una tipica missione di più di 40 ore. Lo Skybus 1500E della SAIC è stato progettato per trasportare un carico tre volte più grande e per rimanere in volo per più di 21 giorni.
I rinnovati investimenti nei dirigibili capitano nel momento in cui è sotto osservazione l’impatto sull’ambiente di tutti i mezzi di trasporto. Alcuni visionari oggi sostengono che non si può continuare ad usare esclusivamente carburanti a base di petrolio per fa viaggiare i mezzi aerei. Queste preoccupazioni hanno spronato nuove ricerche sui biocarburanti per jet e su motori a reazione più efficienti. Abbiamo inoltre cominciato a capire che non tutti i voli devono andare a 800 km all’ora. Per alcuni scopi gli aeroplani non possono competere con i dirigibili.
I progettisti dei moderni dirigibili hanno come obiettivo due diverse pressanti esigenze: controllo, sorveglianza e osservazione del territorio, e trasporto di carichi in luoghi irraggiungibili dai convenzionali mezzi di trasporto. Per esempio, i dirigibili sono ideali per il monitoraggio continuo di siti dove vengono sperimentati ordigni esplosivi o razzi. Inoltre sono eccellenti per l’individuazione a distanza di oggetti aerei minacciosi. Questo è il motivo per cui, in giugno, l’esercito americano ha sottoscritto un contratto per 517 milioni di dollari con la Norton Grumman e la ditta britannica Hybrid Air Vehicles per la costruzione di tre dirigibili, ciascuno lungo come un campo da calcio, per monitorare le minacce impreviste in Afghanistan. I dirigibili cargo, frattanto, sono particolarmente attraenti per zone che hanno strade insufficienti o per regioni remote che non hanno strade per niente. Ad una conferenza sui trasporti cui ho partecipato di recente nel Nord Ovest del Canada, i rappresentanti di compagnie minerarie ed i leader delle comunità hanno manifestato un grande interesse per l’uso di dirigibili per trasportare equipaggiamenti e rifornimenti verso villaggi e avamposti distanti. Questi bisogni stanno trascinando la reinvenzione del dirigibile.
Un dirigibile vola innanzi tutto in base al principio di Archimede, che descrive la spinta idrostatica di un corpo immerso in un fluido più denso. A causa di ciò, un dirigibile è più simile ad un sottomarino che ad un elicottero. Queste macchine volanti devono generare il 100% della loro portanza con il flusso dell’aria sopra le ali o le pale del rotore. Un dirigibile, invece, impiega un gas non infiammabile più leggero dell’aria come l’elio per la spinta ascensionale. Quando il gas leggero sposta un volume di aria che pesa più di tutto il dirigibile (incluso il carburante e il carico), il dirigibile si solleva. La forza sollevante è conosciuta come spinta idrostatica. Per esempio, per sollevare un chilogrammo al livello del mare, il dirigibile ha bisogno di un metro cubo di gas elio. Il dirigibile pesa naturalmente molto di più; lo Skybus che ha recentemente volato nel Maine pesa a vuoto 1600 kg.
Il gas sollevante è contenuto all’interno dell’involucro, un grande contenitore di forma aerodinamica, di tessuto leggero e ruvido. Dentro l’involucro ci sono uno o più camere più piccole, chiamate ballonets, che ordinariamente sono piene d’aria. Al suolo delle ventole elettriche pompano aria dentro i ballonets fino a che la pressione dell’elio che li circonda supera quella dell’atmosfera del margine veramente piccolo di circa 480 pascal. I ballonets occupano dal 25 al 50% del volume totale del gas del dirigibile. L’uscita controllata di aria tramite apposite valvole crea spazio all’interno dell’involucro per l’espansione dell’elio, e il dirigibile si solleva.
Quando il dirigibile comincia a salire, la diminuzione della pressione atmosferica produce nell’elio contenuto nel dirigibile una ulteriore espansione. Una volta che l’aria dei ballonets è uscita, il dirigibile non può salire più in alto senza o scoppiare o far uscire dell’elio. Questa è conosciuta come la quota della pressione del dirigibile. Per scendere il dirigibile usa le sue ventole elettriche per soffiare l’aria dentro i ballonets.
Questo sistema di governo dei gas deve mantenere costantemente l’elio ad una pressione leggermente superiore a quella dell’atmosfera circostante, allo scopo di mantenere la forma aerodinamica dell’involucro. Se salire e scendere fosse tutto quello che un dirigibile deve fare, la combinazione di gas e ballonets sarebbe sufficiente. Ma un dirigibile ha bisogno anche di una certa quantità di potenza e propulsione, per poter navigare e per alimentare il sistema elettronico e delle comunicazioni e per le manovre direzionali. La maggior parte degli attuali dirigibili usano i tradizionali motori a benzina, ma un numero crescente di ingegneri è alla ricerca di sistemi di propulsione e alimentazione alternativi. Un’idea è un sistema rigenerativo incorporante celle fotovoltaiche e celle a combustibile, in cui celle a combustibile userebbero l’idrogeno producendo vapore acqueo. L’energia solare può essere usata per separare l’acqua nei suoi componenti; poi l’idrogeno alimenterebbe le celle a combustibile.
Quasi tutti i dirigibili che volano oggi hanno una struttura non rigida. Per contrasto i dirigibili giganti degli anni Trenta, di cui l’Hindenburg è l’esempio più significativo, avevano uno scheletro interno rigido di alluminio e legno. Dentro quest’armatura c’erano una dozzina o più di camere piene di gas lievitante. Quel periodo vide anche lo sviluppo di strutture semirigide, che tipicamente avevano una robusta chiglia di alluminio che andava per tutta la lunghezza dalla punta alla coda, per servire da ancoraggio per i singoli compartimenti del gas e per distribuire la forza sollevante di ogni cella in maniera uniforme. Gli unici dirigibili semirigidi che volano oggi sono gli Zeppelin NT series, che hanno iniziato la loro attività nei tardi anni Novanta, e che sono usati principalmente per escursioni turistiche e pubblicità.
Sebbene i dirigibili non rigidi non siano appesantiti da una struttura interna, essi devono ancora sostenere i gas, il tessuto e le altre componenti, così come ogni carico trasportato. Naturalmente, più grande è il peso del dirigibile, maggiore deve essere il volume del gas sollevante e maggiore la dimensione dell’involucro. Se la dimensione aumenta, aumenta anche la superficie dell’involucro del veicolo e di conseguenza la resistenza aerodinamica durante il volo. Questi e altri fattori determinano la potenza necessaria per far viaggiare il dirigibile attraverso il cielo.
Sebbene la maggior parte dei dirigibili attuali abbiano dei piloti a bordo, un numero crescente dei più recenti progetti prevede la guida senza pilota, nel senso che l’equipaggio può guidarli durante le prove di volo o le fasi iniziali dello sviluppo, e poi viene dirottato sul controllo remoto. Inoltre sono in fase di sviluppo diversi dirigibili completamente senza pilota. Uno degli usi principali già oggi è quello della sorveglianza del campo di battaglia. Questi dirigibili trasportano strumenti per diversi tipi di riprese filmate e rilevazioni di dati, ad un’altezza da 1.500 a 5.500 m in missioni che durano 24 ore o più. Il Guardian Flight Sistem, con base in Nord Carolina, ha sviluppato il pilota automatico Polar 400 per il Dipartimento della Difesa degli S.U. Nella categoria completamente senza pilota si trova il dirigibile SAIC Skybus 80K, che ha condotto in remoto più di 62 ore di prove di volo nel Maine. Ad oggi lo Skybus 80K è l’unico dirigibile senza equipaggio che può vantare una designazione a scopo di ricerca della Federal Aviation Administration. Esso ha un volume di gas di 2.300 m cubi ed è progettato per trasportare 230 kg di strumenti di osservazione all’altezza di 3.000 m per più di 24 ore.
Più ambizioso è il Long Endurance Multi-Intelligent Vehicle dell’Esercito americano. Il LEMV trasporterà 1.100 kg di carico utile a più di 6.000 metri per un periodo di più di 21 giorni senza bisogno di rifornimenti. Il suo primo dispiegamento avverrà in Afghanistan nel tardo 2011 o all’inizio del 2012. Numerose ditte che lavorano nel campo militare sono in concorrenza tra loro per il contratto del LEMV. Ma due mesi fa, un contratto di 5 anni uno dei principali contratti riguardanti i dirigibili stipulati dalla Seconda guerra mondiale è andato alla Northrop Grumman e a Hybrid Air Vehicles.
Per operare nell’atmosfera rarefatta delle grandi altezze e per lunghi periodi di tempo, un dirigibile deve essere leggero (almeno rispetto a quelli che volano più basso) e deve avere un efficiente sistema di propulsione che possa funzionare con poco o niente ossigeno. Altrettanto essenziale è un disegno che minimizzi la resistenza aerodinamica, e questa è la ragione del perchè i dirigibili d’alta quota hanno quasi sempre la familiare forma ellissoidale. Tra le soluzioni che vengono considerate per fornire la potenza necessaria ai dirigibili d’alta quota, ci sono i motori elettrici accoppiati con batterie agli ioni di litio, celle a combustibile a idrogeno e film flessibili fotovoltaici, che copriranno la parte superiore dell’immensa superficie del dirigibile. Ciascuna di queste opzioni deve pesare di meno ed essere più efficiente rispetto ai motori tradizionali.
Volare più in alto e più a lungo con un carico più pesante di sensori è l’obiettivo a lungo termine dei leader militari che vedono il moderno dirigibile come un inaccecabile e sempre presente occhio nel cielo. All’interno del programma da 149 milioni di dollari del Dipartimento della Difesa per i dirigibili d’alta quota, la divisione Sistemi Marittimi e Sensori della Locheed con sede ad Akron in Ohio, sta esplorando il modo di costruire un dirigibile in grado di trasportare 230 chili di sensori nella stratosfera, all’altezza di 18 Km, dove dovrebbe rimanere per un mese ogni volta. A questa altitudine un dirigibile potrebbe monitorare un pezzo di territorio del diametro di 1.200 km. Solo 11 di loro potrebbero assicurare la copertura radar della costa e dei confini terrestri meridionali degli S.U., secondo quello che dichiara il Comando della difesa aerospaziale del Nord America.
Se questo programma sembra ambizioso, si consideri il dirigibile proposto per l’alta quota conosciuto come Integrated Sensor Is Structure o ISIS. All’interno di questo programma da 400 milioni di dollari fondato congiuntamente dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e della U.S. Air Force, la Skunk Works della Locheed sta costruendo un dirigibile stratosferico senza equipaggio alimentato da pannelli fotovoltaici e celle a combustibile che dovrebbe essere in grado di operare a 21 km di altezza per più di 10 anni alla volta. Un prototipo alla scala di 1/3, lungo quanto un campo da football, è previsto che voli nel 2013.
Ciò che rende unico ISIS è l’integrazione dei suoi strumenti di osservazione un radar UHF per monitorare veicoli e soldati sul terreno e un radar a raggi X per individuare missili da crociera a più di 600 km di distanza dentro il corpo del dirigibile. Secondo la Raytheon che sta costruendo i radar, le antenne radar formano un cilindro nel centro del dirigibile. Integrando il sistema strumentale nella struttura, il progetto riduce il peso del dirigibile e aumenta la rigidità strutturale. Anche così ll’esigenza di una missione della durata di 10 anni a grande altezza avrà bisogno di materiali estremamente durevoli quanto leggeri materiali che ancora non esistono. In più il suo sistema di alimentazione avrà bisogno di pannelli fotovoltaici più avanzati e di celle a combustibile in grado di generare abbastanza potenza per le necessità dei radar, del sistema di navigazione, dei dispositivi per le comunicazioni, e dei motori elettrici che faranno ruotare i propulsori giganti del dirigibile.
Mentre i futuri dirigibili stratosferici di sorveglianza potranno trasportare carichi relativamente piccoli, alcuni dirigibili attualmente in fase di sviluppo solleveranno grossi pesi carichi di centinaia di tonnellate, sebbene ad un’altezza minore. Ciò comporta una quantità di sfide interamente diverse.
Un dirigibile progettato per trasportare 50 tonnellate di carico dovrebbe essere lungo centinaia di metri e pesare decine di tonnellate mentre giace vuoto di elio sul pavimento della fabbrica. La sola dimensione è tale da rendere l’assemblaggio un compito molto impegnativo. Questi nuovi veicoli dovranno probabilmente essere costruiti in sezioni più piccole che dovranno poi essere congiunte insieme in immensi hangar.
Un’esigenza critica è come compensare l’improvviso aumento della spinta statica verso l’alto che si ha quando viene scaricato un pesante carico. Il rimedio più diretto è quello di introdurre nel dirigibile una quantità di peso pari a quello del carico che viene rimosso.
Alcuni progettisti di dirigibili pesanti stanno sviluppando veicoli ibridi. Questi integrano la spinta statica dell’elio con qualche forma di spinta dinamica, come dei rotori tipo elicottero o delle ali come gli aeroplani. Nella maggior parte di questi progetti l’elio è sufficiente per sollevare il peso del veicolo, mentre la spinta dinamica serve per sostenere il peso del carico. Questo produce un mezzo che è leggermente più pesante dell’aria e così è molto meno leggero quando il carico viene scaricato.
La Skunk Works della Lockeed ha fatto le prime prove di volo con il prototipo di dirigibile ibrido P-791 nel 2006. Questo mezzo ha due propulsori all’esterno dell’involucro e due attaccati alla coda. Questi generano circa il 20% della portanza quando il velivolo sta volando in avanti. Altri dirigibili ibridi in fase di sviluppo includono gli SkyCat, che saranno la base dei LEMV dell’Esercito Americano; il Wordwide Aeros Corporations Aeroscraft, che è stato recentemente sottoposto alla FAA (Federal Aviation Administration) per la certificazione del progetto; e lo sperimentale Dinalifter, per il quale sono in corso delle prove di volo da parte della Ohio Airships.
Mentre questi ibridi costituiscono una promessa, essi comportano anche qualche sfida tecnica. In primo luogo la maggiore spinta dinamica aumenta la resistenza aerodinamica. Inoltre per generare la spinta dinamica essi tipicamente hanno un profilo più schiacciato rispetto ai tradizionali dirigibili, ma questa forma aumenta la quantità del tessuto dell’involucro rispetto al volume del gas, aumentando il peso a vuoto del dirigibile. Peso più alto e maggiore resistenza, naturalmente, significano una maggiore potenza propulsiva e più carburante, ed entrambi rendono il mezzo ancora più pesante. Alcuni ibridi incorporano nel progetto lobi multipli che possono creare problemi quando i gas all’interno si scaldano a causa della radiazione solare. L’elio conduce il calore sei volte meglio dell’aria, cosicchè gli ibridi con molti lobi tendono a spostarsi verso il lato non esposto al sole.
Forse il più grande problema, comunque, sono i possibili movimenti di beccheggio e rollio degli ibridi. Un convenzionale dirigibile a corpo unico evita questo problema perchè la maggior parte del gas è posizionato proprio sopra il suo centro di gravità, impartendo quella che è conosciuta come stabilità del pendolo. Più alto è il centro del punto di sollevamento, più stabile è il dirigibile; all’opposto, più basso è questo punto rispetto al baricentro, maggiore è la tendenza al beccheggio in caso di raffiche di vento.
Per fronteggiare questi problemi, la Boeing e la compagnia canadese SkyHook International stanno collaborando a un diverso approccio: un dirigibile ibrido con rotori. Esso combina un convenzionale involucro ellissoidale con quattro unità motrici da elicottero, che sono installate sotto l’involucro dell’elio. L’elio è sufficiente per sostenere il peso del veicolo, lasciando tutta la potenza dei rotori per sollevare un carico da 36 tonnellate. Una prima applicazione dello SkyHook (che significa ”gancio del cielo’) è per il trasporto di equipaggiamenti e rifornimenti per l’attività di ricerca di petrolio nel Canada settentrionale.
Per incentivare altri progressi nei progetti di sollevamento di carichi pesanti, io e altri entusiasti dei dirigibili stiamo organizzando iniziative internazionali per promuovere lo sviluppo di dirigibili come una forma di trasporto di carichi commerciali sostenibile e a bassa emissione di carbonio. Il Zero Emission Transport Airship Prize, o Z-Prize, simile al più familiare X-Prize, vuole offrire una grossa ricompensa in denaro per lo sviluppo con successo, e relative prove di volo, di un dirigibile per carichi pesanti che soddisfi ai criteri della competizione. Speriamo di convincere gli sviluppatori di dirigibili a focalizzare i loro sforzi nella progettazione di dirigibili cargo al costo di produzione che avrebbero le loro principali applicazioni nelle regioni in via di sviluppo posti dove i trasporti a noleggio con i sistemi tradizionali sono difficoltosi e eccessivamente costosi o soggetti a interruzioni da parte di criminali o di terroristi. E incentivando i progetti di dirigili a bassa emissione di carbonio, noi speriamo inoltre di incoraggiare la creazione del primo sistema di trasporto ambientalmente sostenibile. E’ un momento eccitante per un ingegnere che progetta dirigibili. Questi veicoli rappresentano sia la forma più vecchia che quella più recente di mezzo aereo. Essi sono inoltre una tecnologia aviatoria che deve ancora essere pienamente sfruttata. Mentre alcuni negazionisti possono pensare che l’era di questi leviatani sia da tempo superata, di fatto il loro giorno sta appena albeggiando.
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