Una schermatura avanzata della fusoliera potrebbe rendere gli aeromobili a turboelica più sicuri
Si prevede che nell’arco dei prossimi decenni i velivoli subiranno notevoli cambiamenti tecnologici. Alcune norme rigorose in materia di risparmio di carburante ed emissioni di CO2 rappresentano le forze trainanti a favore dell’accelerazione di progettazioni avanzate di motori e materiali. Le architetture di rotori aperti controrotanti, noti anche come turboliche, sono prese in considerazione come soluzione promettente per l’alimentazione dei jet commerciali di prossima generazione poiché sono in grado di migliorare del 20-30 % il risparmio di carburante. Per conseguire un’integrazione sicura, la struttura del velivolo dovrebbe riuscire a sopportare determinate avarie di motori a rotore aperto. In questo contesto, il progetto ELEMENT, finanziato dall’UE, si è concentrato su soluzioni pratiche e attività di modellizzazione al fine di mitigare i rischi derivanti da avarie non controllate del motore. «I detriti ad alta energia potrebbero colpire la fusoliera, provocando forti danni strutturali che potrebbero mettere a repentaglio la sicurezza del velivolo e dei passeggeri», osserva Jorge López-Puente, coordinatore del progetto.
Modelli virtuali che replicano condizioni di prova reali
Alcuni ricercatori hanno convalidato il livello di maturità di diverse configurazioni di schermatura che contribuiscono a ridurre al minimo il peso penalizzante e a proteggere il velivolo da diverse avarie del motore. Sono state effettuate prove d’urto sia fisiche che virtuali dei detriti fuoriusciti a velocità elevate dal cofano motore su pannelli semplici e strutture rappresentative di velivoli in scala reale. «Le prove virtuali potrebbero diminuire il numero e il costo delle prove sperimentali, limitandole idealmente al numero preciso richiesto per la certificazione del velivolo. Al momento, le simulazioni a computer sono ampiamente impiegate in condizioni statiche, ma non dinamiche», spiega López-Puente. Le prove virtuali sono essenziali per la realizzazione di progettazioni di prodotti più flessibili e potrebbero velocizzare il processo di certificazione delle strutture, soddisfacendo al contempo le norme di sicurezza. I ricercatori si sono impegnati a fondo nella preparazione della configurazione sperimentale per il collaudo a livello di provini. È stato utilizzato un polimero rinforzato con fibra di carbonio per la creazione del frammento prisma che rappresenta le pale, mentre una sfera in acciaio rappresentava i frammenti metallici. Sono stati sviluppati e collaudati differenti materiali e configurazioni di dispositivi per integrare le strutture di schermatura rigide e flessibili. Nel complesso, il gruppo ha svolto oltre 300 provini di verifica impiegando un lanciatore pneumatico. Alcune telecamere ad alta velocità hanno registrato le energie assorbite e le velocità residue dei detriti nelle strutture di schermatura.
Analisi dell’impatto delle prove fisiche sulle strutture dei velivoli
In primo luogo, i ricercatori hanno eseguito alcune prove sperimentali fisiche effettivamente rappresentative dei modelli virtuali per valutare l’impatto dei detriti del motore non controllati. È importante evidenziare che queste prove non hanno richiesto la distruzione del motore. «I campioni di grandi dimensioni rappresentativi di strutture reali di velivoli permettono una notevole riduzione dei costi di sperimentazione e migliorano la ripetibilità delle nostre procedure di collaudo, un aspetto necessario per la validazione di soluzioni integrate. In definitiva, tali sviluppi potrebbero favorire la definizione di norme per campagne di verifica di certificazione più convenienti», osserva. «Le prove sperimentali sono spesso effettuate su provini di dimensioni ridotte per contenere i costi. Gli studi riguardanti strutture con presenza di urti rappresentative di velivoli in scala reale sono di carattere confidenziale oppure del tutto assenti», aggiunge López-Puente. Inoltre, gli studi odierni vertono solitamente sui frammenti metallici che non subiscono una deformazione notevole quando colpiscono il velivolo o corpi morbidi, quali gli uccelli, che si fratturano completamente quando urtano la fusoliera. Gli studi sui frammenti o sulle sezioni della fusoliera in polimeri rinforzati con fibra di carbonio sono scarsi, e inoltre, il loro comportamento meccanico potrebbe discostarsi da quelli riportati nella letteratura in materia per altri materiali. I risultati sperimentali e teorici del progetto potrebbero agevolare in maniera considerevole l’integrazione di motori a rotore aperto controrotanti nei velivoli del futuro. I vantaggi potenziali non sono confinati alla sfera dell’aeronautica, ma potrebbero estendersi ad altri settori, tra cui le ferrovie ad alta velocità, incentrandosi sul modo in cui le massicciate dei binari condizionano la struttura dei treni.
Parole chiave
ELEMENT, detriti, struttura di schermatura, avaria non controllata del motore, rotore aperto controrotante, prova virtuale, polimero rinforzato con fibra di carbonio