L’efficienza dell’ala

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Una corretta geometria dell’ala, nelle varie missioni di volo di un aeromobile, è fondamentale al fine di ridurre i consumi e aumentare l’efficienza. Le strutture morphing (adattive) sono in grado di modificare in continuità il proprio profilo migliorando le performance del velivolo.

Le ali di un velivolo sono progettate in modo tale da consentire il volo in condizioni di minima resistenza e quindi di massima efficienza esclusivamente durante la fase di crociera. Tuttavia il velivolo, durante una tipica missione, opera in diversi regimi come decollo, salita, crociera stessa, approccio e atterraggio con conseguente riduzione del 30% del peso complessivo a causa del consumo di combustibile. Questo spiega che quando le ali operano in condizioni di off-design (ovvero al di fuori della condizione in cui l’efficienza è la massima ottenibile) sarebbe necessaria una diversa configurazione geometrica per consentire un volo aerodinamicamente più efficiente quindi con minore consumo di combustibile e infine con una riduzione del peso massimo al decollo del velivolo. Tali effetti benefici avranno una ripercussione fondamentale sulla progettazione delle strutture aeronautiche del futuro in quanto le si potranno realizzare con un notevole risparmio in termini di peso.

Geometria modificata
La progettazione di un’ala che modifichi la propria geometria costituisce una delle principali sfide in cui si sta investendo con vari progetti di ricerca sia europei che internazionali. Numerosi ingegneri in tutto il mondo essendo affascinati dalla capacità che la natura ha dato ad alcune specie di modificare senza alcuna difficoltà la forma delle proprie ali durante il volo, studiano e sviluppano tecnologie innovative per la realizzazione di un’ala in grado di poter adattare la propria forma in modo tale da garantire il volo in condizioni ottimali per ogni singola fase della missione. Questo concetto pone le sue basi già dagli albori della storia dell’aviazione, basti pensare ai fratelli Wright che misero a punto un sistema basato su cavi in grado di poter controllare la torsione dell’ala durante il volo, fino a giungere poi ai nostri giorni in cui già salendo a bordo di un comune aereo passeggeri subito si notano tutte le superfici mobili che costituiscono l’ala come ipersostentatori, alettoni, spoiler e così via. Questi dispositivi vengono messi in funzione in base alla specifica fase di volo garantendo l’operatività del velivolo al di fuori della condizione di funzionamento ottimale. Potremo dire quindi che l’ala già varia la propria forma, tuttavia a differenza degli odierni sistemi, una struttura adattiva o morphing è in grado di poter modificare con continuità la propria geometria migliorando le performance del velivolo in tutte le fasi della missione ottimizzando così le prestazioni in tutto l’inviluppo di volo. Inoltre uno dei principali requisiti che si richiede a una struttura adattiva è quello di modificare significativamente la propria forma ed allo stesso tempo di resistere ai carichi aerodinamici senza eccessive deformazioni. Questa apparente contraddizione può essere superata solo attraverso complesse strutture costituite da elementi di supporto (centine, longheroni e così via), skin e in particolare con un accurato sistema di attuazione. Tale sistema di attuazione si compone sia di un cinematismo, che garantisce la variazione di forma del dispositivo, sia di attuatori. L’insieme della struttura deve così possedere la giusta rigidezza e robustezza oltre alla possibilità di deformarsi.

Struttura morphing
Questo aspetto costituisce uno dei punti cruciali nello scenario delle strutture morphing. Attualmente il progetto europeo Saristu (Smart intelligent aircraft structures) offre l’opportunità di sviluppare nuove tecnologie e in particolar modo di convalidarle mediante la realizzazione di prototipi in scala reale di componenti del velivolo che verranno poi testati. Il progetto spazia così in molti ambiti che vanno dell’ingegneria aeronautica ai materiali fino alle nanotecnologie e all’SHM (Structural healt monitoring). Nell’ambito delle strutture morphing diversi centri di ricerca, università e aziende europee hanno contribuito alla realizzazione di un prototipo di Outer Wing, (parte estrema dell’ala), che verrà provato a gennaio nella galleria del vento di Tsagi in Russia, completamente equipaggiato di dispositivi morphing in particolare winglet, trailing edge e leading edge. Precisamente la winglet, detta anche aletta d’estremità, è un estensione verticale dell’ala usata per migliorarne l’efficienza; il trailing edge (bordo d’uscita) costituisce la parte terminale di una superficie alare, mentre infine il leading edge (bordo d’attacco) è la parte più avanzata che per prima entra in contatto con l’aria. Il prototipo così realizzato verrà testato con lo scopo di provare la fattibilità e soprattutto di verificare i miglioramenti previsti dai modelli sviluppati. La porzione di ala che verrà costruita e provata è schematicamente riportata nella figura….1 .

Nel progetto, il Cira (Centro italiano ricerche aerospaziali), il DII (Dipartimento di ingegneria industriale) -sezione aerospaziale dell’Università Federico II di Napoli e l’istituto di ricerca tedesco del Fraunhofer hanno realizzato, insieme ad altri partner, il dispositivo da bordo d’uscita dell’ala (in verde nella figura). In particolar modo il Cira ne ha progettato il meccanismo di attuazione, mentre il DII-sezione aerospaziale la struttura e, infine, il Fraunhofer lo skin. Il sistema complessivo, detto Ated (Adaptive Trailing Edge) è progettato in modo tale da modificare la propria curvatura attraverso un cinematismo. La centina FIGG 2+3 è una struttura suddivisa in più blocchi ciascuno dei quali è collegato al precedente mediante opportune cerniere e aste di collegamento che consentono la rotazione relativa dei vari componenti rispetto ad una parte fissa non appena il sistema di attuazione è in funzione.

Cinematismi e superficie
Tale sistema è azionato da un servoattuatore elettrico certificato per il volo. L’attuatore mette in movimento un leveraggio solidale alla struttura che trasmettendo così il moto consente il morphing sia verso il basso che verso l’alto con un escursione massima risultante di 20 gradi. Nella figura seguente è possibile visualizzare, da un punto di vista schematico, il sistema di attuazione installato nell’architettura strutturale. Tutta la struttura sarà poi rivestita da uno skin. Tale rivestimento costituisce un’ulteriore fonte di innovazione nell’ambito delle strutture aeronautiche, per il quale il Fraunhofer ha richiesto il brevetto, in quanto è costituito da una superficie siliconica che permette la perfetta aderenza con il dispositivo sia quando non è attuato sia quando deflesso più una componente di alluminio per irrigidirlo.

Il progetto Saristu si è articolato in varie fasi in cui sono stati realizzati prototipi di dimensioni ridotte oltre a quello finale, ma entrambi in scala reale. I vari sistemi sono stati quindi sottoposti a numerosi test per validarne la capacità di adempiere alle specifiche di progetto richieste. FIG 4 Il raggiungimento degli obiettivi del progetto non rappresenta un punto conclusivo nell’ambito della ricerca aeronautica incentrata sul morphing, ma in particolar modo costituisce motivo di arricchimento e perfezionamento delle tecnologie sin ora sviluppate e segna le basi per ulteriori sviluppi che verranno condotti negli anni futuri. La ricerca non si limiterà quindi alla manifattura di prototipi da provare in galleria del vento, ma sarà indirizzata alla realizzazione di veri componenti che andranno montati su di un velivolo reale al posto dei sistemi convenzionali e quindi pronti per effettive prove di volo. Le note bibliografiche sono disponibili presso l’autore.

G. Amendola, Cira (Centro italiano ricerche aerospaziali).

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