Una nuova idea di ottimizzazione prende il volo
La natura è forse l’ingegnere di ottimizzazione per eccellenza, e gli uccelli in volo ne sono un ottimo esempio. Da Dedalo e Icaro con le loro ali piumate fino alle ali morphing degli aerei, brevettate e utilizzate dai fratelli Wright per il loro Wright Flyer, gli esseri umani hanno cercato di emulare la perfezione delle ali degli uccelli. Mentre i fratelli Wright avevano avuto l’idea giusta, nel corso degli anni le richieste di aumentare la velocità, il carico utile e la distanza hanno portato a strutture aeree più rigide non in grado di adattarsi alle mutevoli condizioni aerodinamiche. Mentre il settore si appresta a completare il cerchio, gli viene conferito il compito di sviluppare la prossima generazione di ali morphing per potenziare l’efficienza di volo e ridurre il fabbisogno energetico e le emissioni. A tal fine sono necessari strumenti di progettazione migliori. Il progetto OPTIMOrph, finanziato dall’UE, ha risposto alla domanda del settore nell’ambito del programma Clean Sky dell’UE, il più grande programma di ricerca nel settore dell’aviazione mai lanciato in Europa.
Gli attuali metodi di ottimizzazione non sono ottimali
L’attuale progettazione delle ali dei velivoli convenzionali considera separatamente i fattori aerodinamici e strutturali, modificando prima l’uno e poi l’altro. L’iterazione del ciclo continua fino al convergere in un progetto che permetta all’aereo di volare in diverse condizioni di volo con prestazioni accettabili, anche se non ottimali. Mentre l’accuratezza degli algoritmi aumenta grazie all’inclusione di gradi crescenti di libertà e complessità, aumenta anche il «peso» del software a scapito della velocità. Come spiega la coordinatrice del progetto Rita Ponza: «Il progetto OPTIMOrph ha sviluppato una metodologia di aerodinamica integrata e ottimizzazione strutturale che include fin dall’inizio le limitazioni e le abilità dei concetti e dei materiali selezionati nell’ottimizzazione aerodinamica. In questo modo, realizza configurazioni target ottimizzate che possono essere realizzate in pratica. Il risultato sarà un significativo risparmio di tempo e denaro associato al processo di progettazione e sviluppo».
Algoritmi efficienti per aerei efficienti
OPTIMOrph ha puntato all’ottimizzazione di una condizione di alta quota e di crociera. Gli obiettivi aerodinamici per la prima erano la massimizzazione del coefficiente massimo di sollevamento (CL) e la contemporanea massimizzazione dell’efficienza aerodinamica (rapporto portanza/resistenza aerodinamica o rapporto L/D) al 70 % del CL massimo. Per la condizione di crociera, è stata scelta la massimizzazione dell’efficienza aerodinamica ad un angolo di attacco fisso. Il team ha studiato due diverse strategie di morphing. Nella prima, la regione di morphing è stata fissata tra lo 0 % e il 15 % della corda del profilo alare, una linea retta immaginaria attraverso la combinazione del bordo di entrata e di uscita di un profilo alare. La seconda ha aggiunto un ulteriore livello di deformabilità alla pelle. In entrambi gli scenari di morphing, sia per le condizioni di alta quota che di crociera, l’ala morphing ha superato il profilo alare di riferimento. Inoltre, l’ala morphing con maggiore complessità e deformabilità ha portato ad una considerevole riduzione della resistenza aerodinamica al massimo CL, portando ad un miglioramento ancora maggiore dell’efficienza aerodinamica. Ponza conclude: «Abbiamo fornito un utile strumento pronto per essere applicato alle ale morphing con effetti tangibili sull’efficienza del processo di progettazione dei velivoli. La combinazione di ali di ispirazione biologica con strumenti ingegneristici può fornire nuovi ed entusiasmanti risultati per i velivoli di nuova generazione». La più grande organizzazione di ricerca europea orientata alle applicazioni, Fraunhofer, ha ricevuto il software OPTIMOrph per l’ottimizzazione e l’utilizzo in progetti futuri, in particolare con il suo partner Airbus. Questa combinazione vincente potrebbe far alzare in volo ali morphing dal laboratorio fino ai cieli.
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