Impianti aerospaziali

Impianti aerospaziali: 3 macroaree

Struttura, parte propulsiva e impianti

Struttura: determina l’aerodinamica del velivolo.

Parte propulsiva.

Impianti: sistema ottenuto dall’unione di un certo numero di componenti fra loro attraverso collegamenti in grado di trasportare materia, energia, informazioni ed in grado di soddisfare a una qualche finalità.

In un velivolo, di qualsiasi categoria esso sia, sono necessari un certo numero di impianti; il loro numero, la loro complessità, la loro importanza ai fini dell'utilizzo della macchina sarà maggiore o minore secondo la classe del velivolo. Quindi la complessità dell’impianto dipende dal tipo del velivolo e cresce al crescere delle dimensioni. Gli impianti incidono sulla massa del velivolo quindi sul peso, costituendo tra il 40% e il 60% del peso a vuoto e tra il 12% e il 30% del peso con aereo carico.

Principali impianti di bordo

• Idraulico
• Pneumatico
• Elettrico
• APU
• Comandi di volo
• Combustibile
• Carrelli d’atterraggio
• Protezione atmosferica
• Pressurizzazione
• Condizionamento
• Antiincendio
• Strumenti di bordo
• Avionica

Problematiche e sicurezza

Influenza sul progetto strutturale: ad oggi gli impianti vengono progettati parallelamente al velivolo stesso poiché hanno una forte influenza sul comportamento di quest’ultimo, al contrario di aerei più vecchi in cui gli impianti erano solo secondari e potevano essere sviluppati indipendentemente. In generale nello sviluppo di un progetto si possono riconoscere tre fasi:

Progetto concettuale

• Si stabiliscono la configurazione generale ed i parametri più significativi dell’oggetto della progettazione.
• Vengono usati algoritmi semplici, dati statistici e ricerche parametriche.
• È possibile che vengano presentate più soluzioni.

Progetto preliminare

• Vengono analizzate le varie configurazioni presentate utilizzando tecniche di analisi anche complesse.
• Viene scelta e ottimizzata la configurazione scelta.

Progetto di dettaglio

• Vengono sviluppati tutti i disegni costruttivi e di montaggio.
• Viene sviluppato un prototipo ed eseguiti test.

Problema dell’affidabilità

L'affidabilità è una teoria statistica che permette di determinare la probabilità di verificarsi di un guasto in sistemi complessi partendo da dati relativi ai singoli componenti. Affidabilità è l’abilità di un componente (o di un sistema) di funzionare correttamente sotto ben precise condizioni d'uso per un certo periodo di tempo.

• “Correttamente” significa non solo funzionare, ma anche rispettare le prestazioni che il sistema deve fornire, rimanendo nelle tolleranze previste.
• “Sotto ben precise condizioni d’uso” significa che il sistema deve essere utilizzato entro i limiti previsti nella sua progettazione.
• “Per un certo periodo di tempo” mette in evidenza il fatto che con l’uso il sistema può degradare e non si può pretendere che abbia una durata infinita.

Sicurezza attiva e passiva

Un altro aspetto fondamentale di classificazione è nell'importanza dell'impianto sulla sicurezza del velivolo o sulla riuscita della missione. Si possono così riconoscere:

• Impianti primari: un loro guasto può compromettere la sicurezza del velivolo e/o delle persone trasportate (comandi di volo).
• Impianti secondari: un loro guasto può degradare il comportamento della macchina e far abortire la missione, ma non ne compromette la sicurezza (impianto pneumatico).
• Impianti ausiliari: un loro guasto può degradare la missione o creare dei disagi, ma consente ugualmente di eseguire la missione (impianto di condizionamento).

Problemi specifici

Riduzione del peso: il peso è ovviamente una caratteristica essenziale per qualsiasi componente installato a bordo di un velivolo o di un veicolo spaziale. Nel caso degli impianti, in molti casi un aumento dell'efficienza e dell'affidabilità di un componente ne incrementa il peso; una ricerca esasperata di alto rendimento può quindi giocare un ruolo negativo in componenti a funzionamento discontinuo o eccezionale, per componenti di uso frequente o continuo invece può essere opportuno un aumento dell'efficienza anche a scapito di un aumento del peso, se questo può essere compensato da guadagni di peso nei generatori di potenza e nelle linee di alimentazione.

Ambiente esterno: il volo in quota porta riduzione di pressione, temperatura e densità dell'ambiente operativo; sono inoltre possibili variazioni notevoli di umidità. Il valore di pressione e le sue variazioni influenzano il funzionamento di diverse tipologie di impianti, ma possono avere anche influenze particolari come ad esempio provocare il passaggio di umidità attraverso i contenitori dei componenti elettrici.

La temperatura alla quale si trovano a dover operare i vari componenti può avere delle escursioni molto elevate; si può andare da temperature ambientali dell'ordine dei -60°C ai +70°C, la temperatura in zone vicine ai motori può essere attorno ai 100-150°C a regime, ma di -50°C all'avviamento in zone fredde. Queste variazioni di temperatura hanno influenza sul modo di funzionare di componenti e sulle caratteristiche dei fluidi impiegati nei vari impianti.

È necessario una verifica del funzionamento di tutti gli impianti per tutte le condizioni di pressione e temperatura alle quali si possono trovare ad operare. La densità è importante per quanto riguarda la capacità di smaltimento di calore, esigenza presente in tutti i componenti che, per quanto ottimizzati, non potranno mai avere un rendimento del 100%. I vari componenti devono essere in grado di resistere e di funzionare correttamente anche di fronte alle forti accelerazioni dovute alle manovre.

Componenti commerciali

Si cercano di utilizzare componenti commerciali “a catalogo”, dal dimensionamento preliminare ottengo le specifiche che il mio componente dovrebbe presentare, ma invece che produrre questo componente vado da un costruttore e mi faccio mostrare il catalogo per scegliere quello che si avvicina di più a ciò che mi serve, scelto il componente vado a ridimensionare tutti gli impianti sulla base delle specifiche reali, iterazione è fondamentale fin dall’inizio. Lo sviluppo di un componente ha un costo e si cerca di evitarlo.

La componentistica commerciale ha generalmente avuto un largo utilizzo e quindi mi garantisce una grande affidabilità, cosa che i nuovi componenti non possono garantire. Si utilizza un buon mix di vecchi e nuovi componenti, spesso usati in parallelo. Componenti in parallelo garantiscono una grande affidabilità, se uno si rompe la catena di funzionamento non si interrompe, è più probabile che a rompersi sia un nuovo componente e per questo lo metto in parallelo con componenti che so essere molto affidabili.

Tutto il processo di sviluppo del progetto avviene, come già detto, attraverso successive approssimazioni, questo può comportare la revisione di tutti gli stadi del progetto. Anche se si può dividere il progetto in alcune fasi fondamentali: scelta dello schema funzionale, dimensionamento e scelta dei componenti, analisi del funzionamento, definizione dell'installazione, ecc., non occorre dimenticare che a qualsiasi punto del progetto possono insorgere validi motivi per rivedere il progetto sin dalle sue fasi iniziali.

Il progetto è iterativo, è importante iterare perché i vari team devono interagire tra loro dato che gli impianti sono interconnessi tra di loro e gli output di un impianto potrebbero essere gli input di un altro impianto. Le necessità di iterazione e revisione del progetto possono avere diverse origini:

• Revisione di scelte già operate per introdurre modifiche più o meno importanti al fine di correggere punti deboli del progetto scoperti a posteriori.
• Variazioni delle specifiche del progetto.
• Variazioni delle condizioni al contorno di funzionamento.

Il progetto dell'impianto può essere visto come un'attività durante la quale, forniti dei dati e fissate delle condizioni al contorno, si determina l'uscita richiesta. I dati di progetto sono costituiti da specifiche, generalmente imposte dall'esterno, che fissano:

• Le operazioni che devono essere compiute dall'impianto.
• Le prestazioni che debbono essere fornite dall'impianto; condizioni cioè sia qualitative che quantitative.

Esempi e specifiche di progetto

Vediamo di chiarire con alcuni esempi i tipi di informazioni che possono pervenire come ingresso per lo sviluppo del progetto di un impianto.

Per un impianto combustibile le specifiche iniziali possono contenere:

• Volume (o massa) del combustibile da trasportare.
• Portata e pressione del combustibile ai motori.

Possono essere definiti vincoli come:

• Volume disponibile nelle varie zone del velivolo.
• Escursioni del baricentro possibili.

Per un impianto di pressurizzazione le specifiche potrebbero essere:

• Quota cabina massima.
• Gradiente di quota ammissibile.

Con le condizioni al contorno:

• Quantità di aria spillabile dal compressore.
• Volume della cabina.
• Numero di passeggeri.
• Quota di tangenza, quota di crociera.

Per un impianto elettrico le specifiche potrebbero essere:

• Tensione nominale.
• Potenza necessaria nelle varie fasi del volo.

Per ognuno degli impianti è possibile una caratterizzazione ben precisa delle specifiche che fissano compiti e prestazioni dell'impianto stesso. Queste saranno poi accompagnate da specifiche generali che riguardano prestazioni dal punto di vista di affidabilità, manutenibilità, ecc.

L'uscita del progetto sarà espressa con:

• Schemi funzionali.
• Elenchi di componenti.
• Elenco ed identificazione dei collegamenti.
• Disegni di montaggio.
• Disegni esecutivi degli elementi di montaggio.
• Norme di impiego.
• Norme di impiego in condizioni di avaria.
• Norme di manutenzione.

Dovranno inoltre essere prodotti:

• Analisi di funzionamento in condizioni statiche e di transitorio.
• Analisi di funzionamento in condizioni di avaria.
• Analisi di affidabilità.

Schema funzionale

Disegno che descrive le funzioni svolte da un componente o da un insieme di componenti. Si parte da uno schema a blocchi molto semplice, inizialmente solo qualitativo, per poi dettagliarlo sempre di più fino a quando ad ogni blocco non corrisponde un singolo componente, in questo caso lo schema è sia qualitativo che quantitativo (ci sono numeri).

Scelta dei componenti

Una volta definiti la tipologia dei componenti necessari ad adempiere alla funzione richiesta dall'impianto, si può procedere ad un dimensionamento dell'impianto stesso. Il dimensionamento richiede:

• Valutazioni analitiche che portano a determinare le specifiche richieste per i singoli componenti.
• Componenti scelti (in genere) dai cataloghi o da norme di unificazione.

Può evidenziarsi la necessità di introdurre modifiche a livello di schema funzionale (es: una certa funzione può essere più convenientemente svolta da due macchine in parallelo piuttosto che da un’unica macchina di potenza doppia).

Affidabilità della serie è il prodotto delle affidabilità dei componenti. Affidabilità del parallelo si calcola come resistenze in parallelo, generalmente l’affidabilità del parallelo è maggiore dell’affidabilità del singolo componente, posso avere componenti meno affidabili, quindi meno costosi, che però metto in parallelo per ottenere qualcosa che complessivamente ha un’affidabilità elevata.

Elenco di componenti necessari ad un determinato impianto:

• Indicazione delle caratteristiche sommarie del componente.
• Scelta di componente completamente identificata.

Analisi di funzionamento

Una volta definito lo schema e scelti i componenti si può procedere ad analisi di funzionamento dell'impianto. Queste analisi devono dimostrare l'efficacia dell'impianto, la rispondenza cioè alle specifiche, in tutte le condizioni di impiego previste. Due/tre strade possibili:

• Simulazione puramente matematica, fatta al computer con Simulink, analisi particolarmente economica che mette in evidenza se ci sono grandi problemi nella progettazione.
• Impianti sperimentali in dimensione 1:1, strada molto costosa, complessa e lenta da percorrere, potrei anche fare più errori di quelli che cerco di correggere.
• Progettazione mista, realizzo solo i componenti critici che devo testare nel dettaglio, questo tipo di analisi si fa quando utilizzo pochi componenti nuovi, i componenti da catalogo sono affidabili e non devo testarli, realizzo solo i componenti nuovi.

Avaria

• Avaria è la perdita parziale o totale di funzionalità, può essere:
  • Avaria da usura - graduale decadimento delle proprietà fino a scendere sotto i limiti di tolleranza.
  • Avaria catastrofica - cambiamento brusco delle proprietà.
• Vita di un’unità è il tempo per il quale un componente (o sistema) può essere utilizzato, eventualmente ricorrendo a manutenzioni.
• Tempo di vita (T) è una variabile aleatoria legata ad una funzione che esprime la probabilità che si verifichi un guasto prima dell’istante t.
• MTBF Mean Time Before Failure [tempo medio prima dell'avaria], viene da una definizione probabilistica dell'affidabilità.

Impiego e manutenzione

• Fa parte del progetto dell'impianto emanare delle norme di impiego e di manutenzione.
• Le norme di impiego sono indispensabili per un corretto utilizzo di un impianto. Più è complesso e versatile un impianto e più deve essere documentato il modo di impiegarlo, devono essere descritte le manovre da eseguire per un utilizzo corretto, devono essere descritte le manovre da non eseguire, come comportarsi in caso di avaria, ecc.
• Le norme di manutenzione fissano gli intervalli di manutenzione, le modalità di ispezione, di smontaggio e sostituzione dei vari componenti.

Impianti per trasferimento di energia

Energie utilizzabili a bordo

In molte zone di un velivolo è necessario disporre di energia, in modo controllato; questo è necessario per molte attività, ad esempio per il movimento delle superfici di controllo del velivolo, per la retrazione e l'estensione del carrello, per azionare pompe, per necessità di illuminazione, di riscaldamento, di alimentazione di apparecchiature elettroniche, ecc. La struttura di un impianto per la distribuzione di energia è schematizzabile in questo schema:

Generazione ➔ Regolazione ➔ Distribuzione ➔ Utenze

Ossia è costituita da un gruppo di generazione (spesso collegato ai propulsori stessi), uno di regolazione delle grandezze fisiche in uscita (siano esse pressioni, portate, tensioni o altro) ed una rete di distribuzione che porta l’energia alle varie utenze. L’energia elettrica può essere utilizzata per qualsiasi tipologia di utenza, cioè potrei fare un velivolo completamente basato su energia elettrica, non lo faccio per questioni di efficienza, per esempio per i comandi di volo si continua ad usare energia idraulica perché un motore idraulico è più piccolo, più affidabile, quindi più efficiente.

Movimentazione del carrello

• Movimentazione mediante impianto idraulico
• Movimentazione mediante impianto elettrico di backup
• Movimentazione mediante impianto pneumatico di backup
• Movimentazione mediante impianto meccanico di backup
• Movimentazione manuale, il pilota lo sgancia manualmente

Trasmissione di energia meccanica

• Trasmissione meccanica
• Motori a combustione interna locali, metodo poco efficiente, per esempio devo movimentare il timone quindi ci vado a mettere un motore, sulla carta questo è fattibile, nella realtà non si fa mai
• Motore elettrico, quando do corrente crea rotazione simulando così la presenza di un albero che ruota
• Motore idraulico, fluido in pressione alimenta il motore che crea poi rotazione
• Motori pneumatici

Trasmissioni meccaniche

Le trasmissioni meccaniche consentono il trasferimento di energia meccanica dalla sorgente primaria all'utilizzatore. Il loro utilizzo è comunque limitato a piccole potenze per l'eccessivo peso e complicazione. Un esempio tipico di impiego di trasmissione meccanica è costituita dai comandi di volo convenzionali dove le leve di controllo a disposizione del pilota sono collegate meccanicamente alle superfici mobili tramite cavi o leveraggi.

Motori a combustione interna

I motori a combustione interna costituiscono la fonte primaria di energia in tutti i velivoli (tranne che negli alianti), ma non si prestano ad un utilizzo diffuso e localizzato per i problemi che porrebbero in termini di installazione, alimentazione, affidabilità e controllabilità; è evidente come sarebbe complicato avere a bordo decine di piccoli motori con potenze anche irrisorie e funzionamento discontinuo o eccezionale.

Energia elettrica

L'energia elettrica si presta molto bene alla distribuzione ed al suo controllo, inoltre praticamente in tutti i velivoli è presente un impianto elettrico per soddisfare ad altre esigenze; la trasformazione di energia elettrica in energia meccanica richiede motori che per avere dimensioni e pesi contenuti devono essere motori rotativi con elevato numero di giri. L'uso di motori ...