Una modellazione super accurata e veloce delle forze porta a progetti molto più efficienti per gli aerei di linea
Chiunque abbia attraversato una turbolenza in aereo mentre stava andando in vacanza è consapevole che i velivoli non si muovono in un ambiente innocuo e ospitale. L’aria è piena di venti vorticosi, gradienti di temperatura e condizioni climatiche che possono provocare violenti spostamenti dell’aria che supporta un aeroplano, esercitando grandi forze, o carichi, sulla struttura del velivolo. In modo simile, le manovre che l’aeroplano deve compiere – come per esempio inclinarsi per modificare la rotta, salire di quota o atterrare – esercitano dei carichi sui suoi componenti strutturali. Ma per progettare un velivolo sicuro, i fabbricanti di aerei di linea hanno bisogno di sapere quanto forti al massimo possono essere questi carichi, in modo da calcolare esattamente quanto resistenti le parti critiche del loro aereo devono essere per resistere alle tensioni e sforzi massimi che potrebbero subire in volo. Fino a oggi, tuttavia, i progettisti di aerei di linea non sono stati in grado di prevedere con precisione questi carichi, perché i loro strumenti software di modellazione non erano abbastanza evoluti. Eliminare gli errori Questa situazione è comunque ora destinata a cambiare grazie al progetto ALPES, finanziato dall’UE, in cui Jonathan Cooper dell’Università di Bristol nel Regno Unito, il coordinatore del progetto, ha lavorato a fianco di modellatori di sistemi provenienti dal Siemens Aerospace Centre of Competence a Lovanio, in Belgio. Il loro obiettivo? Sviluppare delle tecniche di modellazione software veloci che calcolano quei carichi aeronautici con grande precisione. Per fare questo, il team di ALPES ha migliorato l’attuale standard industriale per la modellazione del carico da raffica di vento: il metodo DLM (Doublet Lattice Method) risalente a 40 anni fa, che è soggetto a errori e deve essere corretto usando estese prove di fluidodinamica computazionale (CFD) o collaudi nella galleria del vento che richiedono molto tempo. “Le nuove tecniche che abbiamo sviluppato nell’ambito di ALPES correggono i risultati del metodo DLM basati su poche prove in un sistema CFD, rendendo possibile la produzione di previsioni del carico da raffica di vento che sono sia veloci che accurate,” afferma Cooper. Secondo le sue stime, essi possono adesso simulare gli effetti del carico di fattori aerodinamici e strutturali il 95 % più velocemente rispetto al metodo precedente. Queste metodologie possono essere potenziate grazie ad altre tecniche di modellazione surrogate. Per gli ingegneri che progettano velivoli, avere un software che esegue questi impegnativi calcoli al loro posto sarà un grande vantaggio: “Molte centinaia di migliaia di calcoli devono essere effettuati per tenere conto di tutte le possibili situazioni di carico in cui un aeroplano si potrebbe imbattere durante il suo ciclo di vita,” afferma Cooper. Resa più facile l’ottimizzazione del velivolo Avendo determinato i carichi, gli ingegneri possono poi calcolare gli sforzi su tutta la struttura e ottimizzare le dimensioni dei vari elementi strutturali, come per esempio i longheroni e le centine dell’ala, e lo spessore della copertura della fusoliera e delle superfici di controllo di volo, in modo da fare fronte ad essi. Risulta importante che i metodi software sviluppati da ALPES facciano questo con grande velocità, dice Cooper, visto che l’intero processo deve essere ripetuto varie volte durante il calcolo di ogni dimensionamento. Il team di ALPES ha già utilizzato le sue nuove tecniche per mostrare alcuni interessanti risultati riguardanti il carico su un concetto aeronautico emergente: le estremità ripiegabili delle ali. Un aeroplano può ottenere più portanza, ridurre la resistenza aerodinamica e incrementare l’efficienza nel consumo di carburante avendo una maggiore apertura alare – anche se si producono carichi più elevati. Ma ali più lunghe non riescono a entrare nei gate standard degli aeroporti – sono state quindi proposte delle estremità ripiegabili delle ali, dalla Boeing per esempio, con la progettazione del suo aereo di linea 777X. Al gate, le estremità incernierate delle ali rimangono verticali, come nei velivoli sulle portaerei, ma prima del decollo esse si abbasserebbero bloccandosi in posizione piatta per incrementare l’apertura alare. “La nostra ricerca nell’ambito di ALPES ha dimostrato che, consentendo una leggera flessibilità nel cardine durante il volo, è possibile ottenere una notevole estensione dell’estremità dell’ala, con un impatto limitato o persino minimale sul peso dell’ala,” dice Cooper. Future applicazioni Questi risultati faranno davvero la differenza negli ambienti dell’aviazione, prevede Cooper. “Le tecnologie studiate forniranno un aiuto in vista dello sviluppo di progettazioni aeronautiche rispettose dell’ambiente e consentiranno anche una progettazione e processi di certificazione più veloci per quegli aeroplani,” afferma. Inoltre, un lavoro connesso ad ALPES continua nell’ambito di AEROGUST, un progetto finanziato dall’UE che si concentra molto su ulteriori miglioramenti alla modellazione di carico aeroelastico da raffica di vento e wind shear – sia per i velivoli che per le turbine eoliche.
Parole chiave
ALPES, aeroplano, aereo di linea, aviazione, previsione carichi, tolleranza danno, strutture, carichi limite, simulazione, sicurezza
