MONNALISA: un Progetto per modellare l’aerodinamica non lineare delle ali dei velivoli
Le crescenti preoccupazioni sul cambiamento climatico chiamano l’industria aeronautica a uno sforzo eccezionale per aumentare l’efficienza degli aerei e per ridurre l’impatto ambientale dell’aviazione. ACARE (il Consiglio consultivo per la ricerca e l’innovazione nell’aviazione in Europa) ha fissato gli obiettivi per il 2050 di una riduzione del 75% di CO2 per passeggero per chilometro, del 90% di NOđť‘Ą, e del 65% del rumore percepito. Al fine di conseguire questi obiettivi CleanSky JU (ora Clean Aviation – il principale programma di ricerca e innovazione dell’Unione europea per trasformare l’aviazione verso un futuro sostenibile e climaticamente neutro) finanzia sistematicamente la ricerca europea in campo aeronautico.
Uno dei dimostratori tecnologici allo studio è l’Advanced Rear End, dove vengono esplorate e ottimizzate nuove configurazioni di coda, per aumentare l’efficienza economica, ambientale e produttiva. Lo studio di code non convenzionali dei velivoli civili avanzati e ultra-avanzati, destinati al corto/medio/lungo raggio è un argomento molto sentito nella ricerca aeronautica, grazie ai potenziali benefici in termini di carico utile.
Per soddisfare le esigenze espresse da AIRBUS/Getafe il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano ha raccolto in un consorzio la societĂ METALTECH di Vergiate ed uno dei piĂą prestigiosi centri di ricerca francesi, INRIA, al fine di sviluppare e validare un metodo innovativo basato sulla fisica dei flussi, per prevedere le caratteristiche aerodinamiche non lineari delle superfici, incluso quelle la cui geometria potrebbedifferire significativamente dalle geometrie usuali.
Il progetto che ne è scaturito prende il nome di MONNALISA (MOdelling NoNlinear Aerodynamics of LIftingSurfAces) è stato finanziato con i fondi destinati alla ricerca dalla Commissione Europea.
I risultati saranno frutto dell’esplorazione di un ampio spazio dei parametri di progettazione: angolo di sweep,aspect ratio, taper ratio, angolo del diedro. Saranno studiati anche diversi bordi d’attacco e la presenza dighiaccio. Il database aerodinamico risultante combinerĂ in modo efficiente risultati sperimentali molto accurati consimulazioni numeriche all’avanguardia e ad alta fedeltĂ , soddisfacendo così la necessitĂ di strumenti diprogettazione efficienti da parte dell’industria.
Lo sviluppo di MONNALISA si basa su cinque “pilastri” strettamente interconnessi:
- simulazioni ad alta precisione e alta fedeltĂ ,
- test avanzati nella galleria del vento del Politecnico di Milano,
- produzione di modelli ad alta precisione da provare nella galleria del vento,
- tecniche di quantificazione dell’incertezza,
- un avanzato solutore open-source.
Accanto quindi all’attività numerica, si colloca una intensa attività sperimentale di validazione, incentrata su una serie sistematica di test nella galleria del vento di diversi modelli di code di aerei commerciali che coprono una vasta gamma di parametri aerodinamici, inclusi i profili simulati del ghiaccio.
La tecnologia adottata da METALTECH per la progettazione e la fabbricazione dei modelli per la galleria del vento ha un impatto significativo sulla qualitĂ dei risultati sperimentali.
Ogni modello sarĂ :
- principalmente in lega di alluminio, sia per soddisfare le strette specifiche in termini di tolleranza dimensionale e rugositĂ , sia per garantire la precisione e la ripetibilitĂ nel tempo dei risultati sperimentali,
- modulare per consentire l’assemblaggio delle diverse configurazioni.
Essenzialmente ogni configurazione è realizzata tre parti: un bordo d’entrata fino al 30% della corda, una porzione centrale e il flap mobile sul bordo d’uscita realizzato in carbonio.
I bordi d’attacco sono intercambiabili per aumentare il numero di configurazioni diverse testate, inclusa la formazione di ghiaccio.
Particolare attenzione viene posta ad evitare qualsiasi asperitĂ tra il bordo d’attacco e la porzione centrale dell’ala (asperitĂ che favorirebbe la transizione).
Il concetto del modello della galleria del vento è illustrato nella Figura sottostante.
I modelli vengono testati nella “Galleria del Vento del Politecnico di Milano” (GVPM), una galleria a bassavelocitĂ di medie dimensioni adatta a test aeronautici. La camera di prova è larga 4m e alta 3,84m con 55m/sdi velocitĂ massima. I modelli saranno a forma di “mezza ala” e sarĂ adottato un pavimento fittizio che agirĂ come piano di simmetria e ogni prova sarĂ riccamente strumentata.
La radice dei modelli sarĂ fissata a un sistema di bilance multicomponente altamente accurato installato sotto il piano del pavimento, per misurare la portanza, la resistenza e il momento di beccheggio. La deflessione della superficie di mobile (flap) sarĂ attuata da un motore elettrico controllato a distanza che garantisce una deflessione nell’intervallo +/- 35 gradi, con una frequenza fino a 2 Hz.
Il momento della cerniera sarĂ misurato da un torsiometro. Per ogni configurazione del modello testato, le forze e i momenti saranno misurati in un’ampia gamma di angoli di attacco 𝛼 a 50m/s.
Anche i flussi dell’aria nell’intorno delle superfici verranno visualizzati e misurati:
- una telecamera a infrarossi sarà utilizzata per rilevare la linea di transizione e la sua evoluzione durante lo sweep 𝛼. e per questo motivo, tutti i modelli saranno rifiniti con una apposita vernice epossidica nera opaca per consentire la termografia IR.
- la struttura del campo di flusso verrĂ evidenziata col PIV (Particle image velocimetry), un metodo ottico di visualizzazione del flusso mediante laser.
Riconoscimenti
Questo progetto ha ricevuto finanziamenti da Joint Undertaking Clean Sky (JU) nell’ambito del contratto n.101008257. JU riceve il sostegno del programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea e dei Membri Clean Sky JU diversi dall’Unione.