Sensori rivoluzionari migliorano le prestazioni aerodinamiche delle ali
Dal punto di vista degli ingegneri, il controllo del flusso laminare costituisce la missione più impegnativa poiché contribuisce ad attenuare l’attrito. In sostanza, il flusso laminare è il modo in cui il flusso d’aria viaggia al di sopra e al di sotto delle superfici delle ali, seguendo percorsi paralleli fluidi senza incontrare alcuna interruzione nel suo movimento. La sua controparte è rappresentata dal flusso turbolento che si manifesta indipendentemente dalla forma e dalla dimensione delle superfici delle ali. Mentre l’aria si sposta lungo un’ala, l’interfaccia diventa una regione caotica contraddistinta da fluttuazioni irregolari, vortici e aumenti di pressione, comportando un peggioramento dell’attrito aerodinamico e del consumo di carburante.
Rilevare l’attrito di superficie e la pressione
«Questa forza, conosciuta nel settore come attrito di superficie o stress di taglio della parete, e la pressione sono le due caratteristiche distintive della fisica del flusso in prossimità dell’ala del velivolo», osserva Julien Weiss, coordinatore del progetto SKOPA, finanziato dall’UE. «Ci siamo occupati della progettazione e della realizzazione di un sistema di misurazione pronto al volo basato su sensori termici per la misurazione dell’attrito di superficie e su sensori in fibra ottica per la misurazione della pressione. È possibile impiegare questa tecnologia per mitigare gli effetti della separazione del flusso, migliorando così l’efficienza aerodinamica e la sicurezza del volo.» A differenza dei sensori tradizionali, i sensori in fibra ottica di nuova concezione dimostrano una minore suscettibilità nei confronti delle perturbazioni esterne e del rumore. Inoltre, i sensori termici sono progettati per rilevare l’ampiezza e la direzione dell’attrito di superficie su un’ala, a differenza della maggior parte dei sensori che individua solo l’ampiezza.
Motori per velivoli di prossima generazione
Le attività del progetto incidono significativamente sullo sviluppo di motori più silenziosi, ecologici e più efficienti in termini di consumo di carburante, tra cui i motori ad altissimo rapporto di diluizione. Questo tipo di motori è dotato di una maggiore efficienza di propulsione, ma richiede lo sviluppo di gondole di dimensioni relativamente grandi. Pertanto, «per fornire uno spazio sufficiente tra la gondola e la pista senza l’inserimento di montanti dei carrelli di atterraggio più lunghi, è necessario integrare le gondole più vicino all’ala. Ciò, a sua volta, aumenta il rischio di separazione del flusso nell’area di interfaccia tra ala e pilone, in particolare durante il decollo e l’atterraggio», spiega Weiss. L’effettiva separazione del flusso risulterebbe particolarmente dannosa poiché limiterebbe sia il coefficiente massimo di sollevamento che il rapporto di portanza-resistenza del velivolo, due quantità aerodinamiche che sono determinanti rispettivamente per l’atterraggio e il decollo. Il programma di ricerca della CE Clean Sky 2 ha introdotto alcune tecniche integrate di controllo attivo del flusso in corrispondenza dell’interfaccia tra ala e pilone per ridurre o eliminare eventuali aeree di separazione del flusso. «Grazie alla nostra nuova tecnologia, gli ingegneri possono convalidare l’efficacia dei sistemi di controllo attivo del flusso e ottimizzare ulteriormente l’aerodinamica dei nuovi velivoli da trasporto», osserva Weiss. I partner del progetto hanno utilizzato un modello di ala esterna industriale munito di controllo attivo del flusso per verificare la risposta di entrambi i sensori. I risultati hanno dimostrato che i sensori termici hanno misurato in modo efficace il maggiore stress di taglio della parete prodotto dagli attuatori di controllo attivo del flusso. Le pressioni statiche e le fluttuazioni di pressione misurate dai sensori di pressione corrispondevano ai dati di riferimento. In seguito allo svolgimento di prove in tunnel aerodinamici, i partner del progetto si sono avvalsi dei velivoli leggeri per la scienza, l’istruzione e la ricerca (LASER, Light Aircraft for Science, Education and Research) del Politecnico di Berlino per la convalida della maturità di volo di entrambi i sensori. «Le prove di volo rivelano informazioni preziose relative alla fisica del volo, ma hanno bisogno di una tecnologia di rilevamento efficace e solida. Il nostro sensore di pressione in miniatura, che fornisce misurazioni precise per un’ampia gamma dinamica, permette il collaudo sul campo in ambienti difficili. Inoltre, i sensori in fibra ottica rappresentano una soluzione promettente per ambienti difficili grazie alle caratteristiche intrinseche dei sistemi in fibra ottica, ovvero assenza di accoppiamento elettromagnetico, zero corrosione, progettazione passiva e presenza di una protezione dal sovraccarico e di una stabilità senza pari», conclude Weiss.
Parole chiave
SKOPA, attrito di superficie, separazione del flusso, controllo attivo del flusso, sensori in fibra ottica, sensori di pressione, motori ad altissimo rapporto di diluizione
