Pedeorelha | Come funziona l'aquila nordamericana

Rudolf Cole
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World Speed King. Guarda altre foto di auto esotiche.

La maggior parte delle persone è perfettamente felice di guidare le proprie auto lungo l'autostrada a una rispettabile velocità di 65 mph. Altri desiderano più velocità e la ottengono aggiungendo motori più grandi, compressori e altri muscoli automobilistici. E altri ancora: quei rari amanti del brivido noti come fanatici della velocità vogliono una cosa e solo una cosa: l'auto più veloce del pianeta e la designazione come la "World Speed King". Dal 1997 tale denominazione appartiene al British Thrust SSC, che divenne la prima auto in assoluto a rompere la barriera del suono quando il guidatore Andy Green convinse il veicolo a reazione ad una velocità di 763 mph.

Ma una squadra nordamericana sta per cambiare tutto questo. Guidato da Ed Shadle e Keith Zanghi, il team spera di guidare il suo ingresso: il Aquila nordamericana -- nei libri dei record battendo il record mondiale di velocità su terra e riportando il titolo di automobile più veloce del mondo nel continente nordamericano. In questo articolo, esamineremo come funziona la North American Eagle, nonché i passaggi che devono verificarsi affinché qualsiasi auto stabilisca un record ufficiale di velocità su terra.

Un team di volontari Il progetto North American Eagle è un vero lavoro d'amore. La squadra che Shadle e Zanghi hanno messo insieme è composta rigorosamente da volontari che donano notti, fine settimana e vacanze. La maggior parte porta un alto livello di competenza a uno dei sistemi critici dell'auto. Il team North American Eagle comprende uno specialista di espulsione che ha lavorato alle missioni spaziali della NASA, un meccanico di motori a reazione, un tecnico informatico, un ex meccanico B-52, uno specialista di carrozzeria e un ingegnere.

Foto per gentile concessione della NASA
F-104 Starfighter in volo.

La North American Eagle è un'auto, ma solo in senso strettamente accademico. Ha ruote, un motore, strumentazione e un posto per il conducente. Tuttavia, è qui che finiscono i confronti.

È più vicino alla verità chiamare il North American Eagle un jet su ruote. In effetti, il telaio dell'auto si basa sulla fusoliera di un aereo noto come F-104 Starfighter. Introdotto dalla Lockheed Corporation nel 1954, lo Starfighter è stato il primo jet militare operativo in grado di volare a Mach 2, ovvero il doppio della velocità del suono. È stato gradualmente eliminato nel 1967 a favore di aerei più recenti, ma anche oggi il jet elegante e aerodinamico sembra essere stato costruito per la velocità. Shadle e Zanghi erano chiaramente interessati alle qualità aerodinamiche dello Starfighter quando acquistarono l'aereo dismesso da un rivenditore di aerei in eccedenza nel Maine per $ 25.000. Per convertirlo in un'auto, il team North American Eagle ha coperto il radici delle ali (le ali erano già state rimosse) e aggiunto un sistema di sospensione. Il team ha anche apportato modifiche a un potente motore a turbogetto, lo stesso tipo che ha spinto il jet da combattimento a oltre il doppio della velocità del suono nell'aria con le ali, che l'auto utilizza come fonte di energia.

Come puoi immaginare, il North American Eagle non è un veicolo che qualcuno guiderebbe per le strade. Invece, appartiene a un gruppo di auto conosciute come corridori di velocità terrestre. Nelle competizioni ufficiali, i corridori di velocità su terra devono attenersi a regole e regolamenti rigidi stabiliti dal Federation Internationale de L'Automobile (FIA), il principale organo di governo della maggior parte dei tipi di corse automobilistiche. La FIA riconosce diverse classi di piloti di velocità terrestre, in base al loro design generale e alla fonte di potenza, e riconosce i detentori del record in ciascuna. La North American Eagle gareggia nella classe Special Construction, che a sua volta comprende tre categorie: Streamliner illimitati, Lakesters e Illimitati.

Foto per gentile concessione dell'aeronautica americana / fotografa Sue Sapp
Un motore turbofan in fase di test presso la Robins Air Force Base, Georgia, USA.

La categoria Unlimited è stata sviluppata appositamente per i veicoli che si affidano a propulsione a getto o a razzo per aumentare la velocità. La propulsione a getto si verifica quando il carburante viene bruciato in presenza di ossigeno dall'atmosfera, creando un flusso di gas in espansione che, quando espulsi attraverso un ugello, genera spinta. La propulsione a razzo si basa su principi simili, tranne per il fatto che l'ossigeno viene trasportato insieme al carburante. Il North American Eagle, ovviamente, è un veicolo a propulsione a reazione che sfrutta un motore turboreattore General Electric LM-1500. Parleremo di più del motore nella prossima sezione, ma dovresti sapere che l'LM-1500 può produrre, nella sua forma completamente potenziata, 52.000 cavalli, quasi 375 volte più potenza della Honda Civic media.

Utilizzato con licenza Creative Commons Attribution ShareAlike 2.5.
The Spirit of America al Chicago Museum of Science and Industry di Chicago, Illinois.

Anche se tutto va bene quando si tratta di spinta, Unlimiteds deve soddisfare altri severi requisiti di progettazione. Ad esempio, non possono utilizzare superfici alate per controllare il veicolo e devono avere un minimo di quattro ruote. I veicoli a tre ruote non sono affatto considerati auto e devono competere come motociclette.

Unlimited ha costantemente ampliato i limiti della velocità terrestre da quando la FIA ha istituito la classe nel 1964. Auto come Green Monster, Spirit of America, Thrust II e Thrust SSC hanno corso nei libri dei record, superando il traguardo dei 500 mph, il traguardo dei 600 mph , il traguardo dei 700 mph e, infine, il Barriera del suono, che è di 760 mph a una temperatura di 15ºC e pressione a livello del mare. L'obiettivo della North American Eagle è quello di battere l'attuale record di velocità su terra di 763 mph di velocità media e di diventare l'auto più veloce che abbia mai gareggiato sulla superficie della terra.

Sebbene la North American Eagle sia diversa da qualsiasi auto che vedrai sull'autostrada, ha molti dei principali sistemi automobilistici che potresti trovare su un veicolo di produzione. Analizziamo l'aquila e vediamo cosa la fa muovere così velocemente.

Telaio
Il telaio North American Eagle, che mantiene tutte le dimensioni di base della fusoliera dello Starfighter, è lungo 56 piedi, largo sette piedi al naso e largo nove piedi alla coda. Come puoi immaginare, trasportare un veicolo così grande rappresenta una vera sfida. Per spostarlo da un sito all'altro, il team utilizza un trattore diesel Volvo che traina un semirimorchio a grandezza naturale.

Sospensione
Come aereo, lo Starfighter non richiedeva un sistema di sospensione per aiutare ad assorbire gli urti e gli urti che provengono dalla guida su una superficie ruvida. Come auto, la North American Eagle deve essere in grado di superare le imperfezioni della strada senza perdere velocità o compromettere la stabilità del veicolo. L'auto circolerà solo su un letto lacustre di fango secco e completamente privo di imperfezioni per l'intera distanza percorsa; niente strade. Questo è il motivo per cui il deserto del Black Rock è un buon luogo per tentativi di record. Il team ha risolto il problema utilizzando un sistema di ammortizzatori a gas per sospendere la parte anteriore dell'auto. La sospensione posteriore è basata su un telaio rettangolare, costruito con tubi di acciaio rettangolari disposti in una configurazione a delta, o triangolare, verso la parte posteriore. Questo telaio è realizzato in acciaio dolce (oa basso tenore di carbonio), che è economico, resistente e facilmente modellabile.

Foto per gentile concessione del Airplane Flying Handbook
I componenti di base di un motore a turbina a gas.

Motore
Il motore a turbogetto che alimenta il North American Eagle è tipico della maggior parte degli aerei commerciali e militari. Se leggi Come funzionano i motori a turbina a gas, vedrai che questi motori sono costituiti da turbine, una camera di combustione, iniettori di carburante e un compressore. Il compressore aspira l'aria nella camera di combustione, dove l'ossigeno viene utilizzato per bruciare il carburante. Man mano che il carburante brucia, i gas di scarico vengono diretti verso le turbine. Un set di turbine aziona direttamente il compressore tramite un albero. Le altre turbine ruotano liberamente e creano un flusso d'aria ad alta velocità che viene diretto attraverso un ugello. Questo flusso d'aria ad alta velocità genera una spinta basata sulla terza legge del moto di Newton (per ogni azione, c'è una reazione uguale e contraria).

I risultati di una brutta frenata
Le gare di velocità su terra non sono per i deboli di cuore. Nel 1964, durante la sua seconda corsa di ottobre per il record in Spirit of America, Craig Breedlove ebbe un incidente quasi fatale quando i paracadute dell'auto furono strappati dalle loro linee montanti. Senza la resistenza extra dagli scivoli, Breedlove non poteva fermare l'auto con i freni a disco, che si sono bruciati. L'auto alla fine si fermò in uno stagno di acqua salata e Breedlove fu ripescato illeso. Meno di un mese dopo, Breedlove tornò alle Bonneville Salt Flats e divenne la prima persona a guidare un'auto a una velocità superiore a 500 mph.

Il motore LM-1500 dell'Aquila è la versione civile del motore J-79-15 utilizzato negli aerei militari come l'F-4 Phantom. Misura tre piedi di diametro e pesa 3.840 libbre. Il compressore è collegato da un unico albero alle turbine e dispone di 17 stadi per alimentare aria super-ricca di ossigeno al carburante pompato dagli iniettori. Sia gli ugelli del carburante che i serbatoi di combustione sono rivestiti in ceramica, che aiuta a ridurre il calore e produce il 13% in più di potenza.

Al minimo, il motore consuma 18 galloni di carburante per jet al minuto. Il team dispone di due diversi modelli di LM-1500; uno produce un totale di 42.500 cavalli per i test a bassa velocità e un secondo ha rivestimenti ceramici sulle pale della turbina e sui serbatoi di combustione, che produrranno fino a 52.000 cavalli per corse record ad alta velocità.

Ruote
La North American Eagle viaggia su cinque ruote: una davanti per sterzare, due fianco a fianco su un assale centrale sfalsato e due dietro. Per le corse a bassa velocità (sotto i 350 mph), le ruote sono dotate di pneumatici in gomma. Per le corse ad alta velocità (fino a 800 mph), le ruote degli aerei standard vengono rimosse e sostituite con ruote in alluminio billet solide con una fascia in titanio sulla superficie di rotolamento esterna della ruota per una maggiore resistenza e mantenimento dello stress, lavorate appositamente per l'uso sul Aquila. Nessun pneumatico viene utilizzato nella configurazione ad alta velocità.

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Il paracadute si apre per rallentare l'aquila mentre si ferma.

Sistemi frenanti
Rallentare un veicolo da supersonico velocità richiede un approccio graduale utilizzando più tecnologie. Supponendo che l'Aquila stia viaggiando alla sua velocità target di 800 mph, ecco come funziona la frenata:

Il conducente tira indietro l'acceleratore. In tal modo, dispiega le porte del freno di velocità situate su ciascun lato della fusoliera, appena davanti alla sezione di coda. Ad azionamento idraulico, questi freni di velocità facevano parte del progetto originale dell'aeromobile e funzionano allo stesso modo creando resistenza per rallentare il veicolo. Con i freni di velocità attivati, l'auto inizia una decelerazione graduale.
A circa 650 mph, un paracadute drogue viene dispiegato per assistere i freni di velocità. Uno scivolo drogue è più allungato e molto più sottile di un paracadute convenzionale, il che significa che crea meno resistenza ed è meno probabile che si rompa. Uno scivolo principale molto più grande segue il drogue a circa 500 mph, creando ancora più resistenza. Questo rallenta l'auto a circa 125 mph.
A 500 mph, il guidatore può attivare i freni magnetici sulle ruote posteriori per eliminare l'energia cinetica accumulata nelle enormi ruote da 300 libbre, che tendono a rallentare più lentamente di quanto l'auto decelererà. Si tratta di componenti all'avanguardia realizzati con magneti in terre rare (neodimio ferro boro o NdFeB) montati su staffe in acciaio inossidabile sull'asse posteriore vicino a ciascuna ruota. Le staffe si avvicinano, ma non toccano, un rotore in alluminio montato all'interno del mozzo della ruota. La resistenza magnetica risultante rallenta l'auto a 100 mph.
Infine, con l'auto che viaggia a meno di 100 mph, un freno "Flintstone" (attualmente in fase di sviluppo) appena fuori dall'abitacolo, si attiverà idraulicamente per trascinare sul terreno a velocità inferiori a 100 mph.

Pozzetto
L'abitacolo della North American Eagle ospita un solo guidatore che è fissato da una cintura di sicurezza extra larga con un attacco a cinque punti. Invece di un volante, il guidatore troverà la levetta di volo originale dello Starfighter. Un sistema idraulico comunica l'input dall'abitacolo alle ruote anteriori, consentendo al guidatore di sterzare l'auto a destra oa sinistra. Un quadro strumenti molto semplice, che include indicatori di temperatura, indicatori di pressione carburante e olio, indicatore della velocità dell'aria e misuratore di Mach, è visibile appena oltre lo stick di volo. E una radio consente al pilota di comunicare con i membri dell'equipaggio di terra e altro personale di supporto che aiutano a monitorare le condizioni della pista e altre variabili che potrebbero influenzare l'esito della gara.

Foto per gentile concessione del Airplane Flying Handbook
Diagramma delle onde d'urto.

Una delle maggiori sfide che l'Aquila nordamericana deve affrontare è superare i problemi legati al viaggio a velocità supersoniche. A tali velocità (cioè maggiore della velocità del suono), l'auto produrrà onde d'urto che possono influire sulla stabilità del veicolo e produrre un boom sonico. Diamo una rapida occhiata a come si formano queste onde d'urto e come l'aquila nordamericana le compenserà.

Quando un oggetto si muove nell'aria, spinge via le molecole d'aria, creando onde di aria compressa e non compressa. Queste onde di pressione dell'aria si allontanano dall'oggetto in tutte le direzioni alla velocità del suono. Finché l'oggetto viaggia a una velocità inferiore alla velocità del suono, non raggiungerà le onde di pressione. Ma se l'oggetto viaggia alla velocità del suono o più velocemente, raggiunge le onde di pressione e inizia a spingerle, accumulando le onde mentre vengono create. Queste onde accumulate sono chiamate onde d'urto.

Foto per gentile concessione del governo degli Stati Uniti
Illustrazione di dove si trovano le canard (in blu).

Quando le onde d'urto raggiungono il suolo, possono essere percepite come un boom sonico. L'intensità del boom sonico è determinata da diversi fattori: la distanza tra l'oggetto e il suolo, le dimensioni e la forma dell'oggetto e le condizioni atmosferiche, tra cui pressione dell'aria, temperatura e venti. I boom sonici sono stati ben studiati negli aeroplani, ma meno nei veicoli che viaggiano a pochi centimetri dal suolo.

Un problema con le auto da velocità terrestre è che le onde d'urto che si accumulano sul muso possono creare una forza verso l'alto che solleva l'auto da terra. Il team North American Eagle ha installato canard -- piccole proiezioni a forma di ala - per fornire stabilità e controllo extra. Se hai mai messo la mano fuori dal finestrino di un'auto che viaggia a 60 mph, allora hai un'idea di come funzionano le canard. Il loro angolo nel flusso d'aria può creare un forza verso l'alto o a forza verso il basso. Nel caso del North American Eagle, il sistema sarà controllato indipendentemente dal conducente da un computer. Monitorerà un sensore di carico sull'asse anteriore. Il programma di test del progetto verificherà che il programma software sul computer regolerà adeguatamente le canard leggermente verso il basso per applicare una forza sufficiente, ma non eccessiva, per impedire alla ruota anteriore di staccarsi da terra e impedire un assetto a muso alto.

Foto per gentile concessione della Nevada Commission of Tourism
Black Rock Desert, Nevada

Andando per il record
Naturalmente, avere un'auto che viaggerà più velocemente della velocità del suono è solo una parte del problema. Devi anche trovare un posto per gareggiare in sicurezza e far sì che i tuoi risultati siano ufficialmente misurati e riconosciuti come un vero record mondiale di velocità su terra. In Nord America, ci sono solo pochi posti adatti per le gare di velocità su terra. Questo perché i piloti di velocità terrestre richiedono una pista lunga (fino a 15 miglia o più!) Di terreno estremamente aperto e piatto. Daytona Beach è stata utilizzata fino al 1935. Quindi i corridori hanno rivolto la loro attenzione alle Bonneville Salt Flats, una distesa di deserte saline che si estende per circa 100 miglia quadrate nello Utah nord-occidentale. Bonneville è stato il sito nordamericano preferito per le gare di velocità su terra fino al 1983. Tuttavia, la spinta del motore a reazione fa sì che le ruote metalliche si muovano sul sale duro durante l'accelerazione. Inoltre, la distanza che ora esiste è solo un totale di sette miglia a causa dell'estrazione del sale negli ultimi decenni, rendendo la pista troppo breve per essere utilizzata. Per questi motivi da allora è stato utilizzato il Black Rock Desert in Nevada. Black Rock Desert offre più spazio aperto e, poiché era il fondo di un lago invece di un oceano di acqua salata, provoca meno corrosione alle auto.

Per andare per il record, il team nordamericano dovrà trasportare l'auto in Nevada e invitare i funzionari della FIA. Quindi, nel corso di diverse settimane, il team preparerà il veicolo e farà una corsa per il record. Una corsa ufficiale consiste in due prove, ciascuna in direzioni opposte e con una media. La seconda manche deve entrare nell'area cronometrata entro 60 minuti dopo aver lasciato l'area del miglio cronometrato della prima manche per qualificarsi secondo le regole esistenti.

Il tempo per ogni prova è misurato lungo un tratto di un miglio chiamato miglio misurato. Il tempo ufficiale è la media dei due tempi di prova. Ad esempio, ecco come ha fatto il team Thrust SSC nel 1997, quando ha stabilito il record mondiale di velocità su terra:

Prima prova: 759 mph
Seconda prova: 766 mph
Media: 763 mph
Velocità del suono quel giorno, in quella posizione: 748 mph
Velocità Mach: 1.02

Per battere il record stabilito dal team Thrust SSC, la North American Eagle deve essere almeno l'uno percento più veloce - o circa 770 mph (Mach 1.03). Finora, il North American Eagle ha raggiunto una velocità massima di soli 312 mph, registrata nel marzo 2005, ma era su pneumatici per aerei a bassa velocità con una velocità nominale di 350 mph. Con ruote in alluminio e postcombustori in funzione, il team si aspetta che l'auto possa raggiungere i 800 mph.

Importanti record di velocità su terra
Data	Velocità	Veicolo	Driver	Posizione
18 dicembre 1898	39,252 mph	Jeantaud	Chaselloup-Laubat	Acheres, Francia
21 luglio 1904	103,561 mph	Gobron-Brillie	Louis Rigolly	Ostenda, Belgio
24 giugno 1914	124,095 mph *	Benz # 3	L.G. Hornsted	Brooklands, Inghilterra
21 luglio 1925	150,761 mph	Sunbeam Bluebird	Sir Malcolm Campbell	Pendine, Galles
29 marzo 1927	203,792 mph	Sunbeam 1000 HP	Henry Segrave	Daytona, Stati Uniti
3 settembre 1935	301.129 mph	Railton Rolls Royce Bluebird	Sir Malcolm Campbell	Bonneville, Stati Uniti
Il 5 agosto 1963	407,518 mph **	Spirito d'America	Craig Breedlove	Bonneville, Stati Uniti
2 novembre 1965	555,483 mph	Spirit of America Sonic I	Craig Breedlove	Bonneville, Stati Uniti
15 novembre 1965	600.601 mph	Spirit of America Sonic I	Craig Breedlove	Bonneville, Stati Uniti
25 settembre 1997	714.144 mph	Thrust SSC II	Andy Green	Black Rock, Stati Uniti
15 ottobre 1997	763.035 mph	Thrust SSC II	Andy Green	Black Rock, Stati Uniti
* Primo tentativo a due vie
** Prima auto a utilizzare il motore a reazione

Foto per gentile concessione di Mary Frances Howard
Steve Fossett

La corsa alla corsa
La corsa ufficiale della North American Eagle per il record mondiale di velocità su terra dovrà attendere mentre il team raccoglie più soldi e finisce di modificare il design dell'auto. Nel frattempo, una o due altre squadre stanno lavorando su vetture che potrebbero sfidare il record. Uno di questi concorrenti è Steve Fossett; il milionario da record che ha recentemente acquistato Spirit of America di Craig Breedlove e sta modificando il veicolo per un tentativo di record dell'ottobre 2007. In una conferenza stampa del 2006, Fossett ha detto ai giornalisti che crede che il suo Spirit of America modificato possa raggiungere velocità di 800 mph.

La North American Eagle, ovviamente, spera di essere la prima e più veloce. Questo dimostra che nelle gare di velocità su terra, la corsa alla linea di partenza è altrettanto cruciale quanto la corsa al traguardo.

Grazie, grazie a Jon Higley di North American Eagle, Inc. per la sua assistenza con questo articolo.