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NextGen Aircraft Design è la chiave della sostenibilità dell'aviazione

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Per gli innovatori aeronautici della NASA, quando si tratta di progettare la prossima generazione di aerei per il trasporto di passeggeri, si può pensare che si tratti di quattro E: Ambiente, efficienza, elettrificazione ed economia.

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Come un insieme di matriosche russe che fanno il nido, si adattano l'una all'altra per fornire un'idea completa, che risuona particolarmente con ciò che è la Giornata della Terra - lavorare per un ambiente più pulito in un momento di preoccupazione globale per il cambiamento climatico.

"Concettualmente, è davvero molto semplice", ha detto Robert Pearce, amministratore associato della NASA per l'aeronautica.

"Per ridurre il nostro impatto sull'ambiente dobbiamo aumentare l'efficienza degli aerei in tutti i modi possibili, integrare l'elettrificazione per aiutare o sostituire gli attuali metodi di propulsione, e fare tutto questo in modo da favorire l'economia", ha detto Pearce.

Per essere chiari, non stiamo parlando di un futuro aereo di linea che vola più veloce del suono, o di un piccolo aeromobile personale per il trasporto aereo in taxi o per la consegna dei pacchi del tipo che farà parte della Mobilità Aerea Avanzata. La NASA dispone già di risorse dedicate a questo scopo.

L'attenzione si concentra invece su un futuro aereo di linea che potrebbe trasportare 150-175 passeggeri, volare a velocità subsoniche e potrebbe integrare o sostituire aerei come il Boeing 737 o l'Airbus 320 nel 2030.

Più specificamente, a partire dall'ambiente - tenere a portata di mano quella visione di nidificare le bambole russe per le prossime frasi - l'obiettivo è quello di rendere l'aviazione sostenibile.

Per rendere l'aviazione sostenibile è necessario ridurre l'impatto dell'aviazione sui cambiamenti climatici.

Per ridurre l'impatto dell'aviazione sul cambiamento climatico è necessario ridurre le emissioni di gas serra.

Per ridurre le emissioni di gas serra - l'anidride carbonica è il maggiore contribuente - è necessario ridurre la quantità di combustibile bruciato.

Per ridurre il consumo di carburante, è necessario rendere più efficiente il progetto dell'aereo. Deve muoversi nell'aria più facilmente, eventualmente usare l'elettricità per aumentare o alimentare il sistema di propulsione, e deve essere tanto leggero quanto pratico e sicuro.

Di conseguenza, la NASA si sta concentrando su quattro tecnologie per aiutare ad affrontare le sfide di efficienza legate all'aerodinamica, alla propulsione e al peso.

"Si tratta di tecnologie che costruiranno a partire dalle fondamenta gettate durante i precedenti progetti della NASA, come il progetto dell'Environmentally Responsible Aviation e gli studi sui futuri progetti di velivoli che abbiamo chiamato N+3", ha dichiarato James Kenyon, responsabile della NASA per l'Advanced Air Vehicle Program.

1. Propulsione elettrolitica degli aeromobili

L'elettrificazione nell'aviazione è tutta una questione di come si riesce a spingere in avanti il proprio aereo in modo da poter ridurre la quantità di carburante bruciato ma ottenere comunque la potenza desiderata durante ogni fase del volo - dal rullaggio, al decollo, alla crociera, all'atterraggio e al rullaggio.

"A livello di aeromobili di grandi dimensioni, forse non è completamente elettrico. Ma se posso usare l'elettricità per aiutarmi con alcune parti dell'inviluppo di volo, posso progettare il mio motore in modo diverso e renderlo più efficiente nel complesso", ha detto Kenyon.

Questo può significare un aeroplano completamente elettrico in cui i motori elettrici girano le eliche o le pale del ventilatore per generare la spinta. Una tale capacità potrebbe consentire la progettazione di aerei di ogni sorta di nuovi modi, sia modificando gli aerei attuali sia proponendo nuove configurazioni.

Il lavoro della NASA sull'X-57 Maxwell completamente elettrico fornisce un assaggio di ciò che potrebbe essere possibile.

Un'altra configurazione è una configurazione ibrida in cui sia i motori a reazione convenzionali che l'elettricità sono utilizzati per far girare le ventole durante il volo. I motori a reazione possono anche alimentare i generatori per fornire direttamente elettricità ai motori elettrici, o per caricare le batterie per i motori elettrici da utilizzare in seguito.

"I nostri piani sono di testare sistemi elettrici sempre più potenti, fino a un megawatt di potenza, prima in un laboratorio a terra, e poi in volo su un aereo di prova ancora da selezionare", ha detto Fay Collier, direttore della NASA per la strategia di volo nell'Integrated Aviation Systems Program.

2. Turbina a gas a nucleo piccolo

Un altro modo per ottenere una maggiore efficienza del carburante da un motore è cambiare la sua configurazione in termini di come l'aria scorre attraverso di esso e a quali pressioni e temperature.

Per anni, i motori a reazione del tipo visto sui grandi aerei di linea commerciali sono diventati più efficienti cambiando la quantità di aria che scorre attraverso il nucleo del getto caldo del motore rispetto a quella che scorre intorno, o bypassando il nucleo attraverso le pale della ventola - qualcosa chiamato rapporto di bypass.

In generale, più alto è il rapporto di bypass, più il motore può essere efficiente nel generare la spinta. Ma c'è un limite - o almeno c'è stato un limite - a quanto grande si può fare quel rapporto di bypass.

Questo perché il motore - nucleo e pale della ventola - deve essere contenuto in un alloggiamento, o carlinga. Questa è una caratteristica di sicurezza per contenere e ridurre al minimo qualsiasi pericolo che potrebbe sorgere in caso di guasto catastrofico di un motore in volo.

Il problema è che la carlinga di un motore che penzola dall'ala di un aereo di linea non può essere di diametro così grande prima che inizi a trascinarsi a terra. È necessario un minimo di spazio libero, e si può fare il carrello di atterraggio solo fino a un certo punto prima che pesi troppo o occupi troppo spazio quando è stivato.

Quindi, se non si riesce a rendere il motore complessivo più largo in diametro, ma si vuole aumentare il rapporto di bypass in modo che più aria fluisca intorno al nucleo, allora la soluzione è quella di rendere il nucleo più piccolo in diametro. Questo è uno degli obiettivi del piccolo sforzo di ricerca sulle turbine a gas.

La ricerca si avvarrà di lavori precedenti con metalli esotici, ceramiche e geometrie interne uniche per gestire l'aumento delle temperature e delle pressioni che sono il risultato naturale della gestione della combustione in ambienti più stretti.

3. Ala a traliccio transonico

Affrontare la sfida di aumentare l'efficienza aerodinamica di un aereo che si muove nell'aria sarà oggetto di ricerca attraverso studi continui sul concetto di velivolo Transonic Truss-Braced Wing (TTBW).

Uno dei progetti emersi da precedenti progetti di ricerca sui futuri progetti aeronautici, il TTBW è essenzialmente un classico aereo a tubi e ali, ma con un'ala estremamente lunga e sottile. Così lunga e sottile, infatti, che ha bisogno di un piccolo aiuto su entrambi i lati della fusoliera per reggerla.

Un'ala di questo tipo allungata alla giusta lunghezza - nota come ala ad alto rapporto d'aspetto - in genere crea la stessa portanza delle ali più spesse e più corte che si vedono oggi sugli aerei di linea, ma lo fa con molta meno resistenza.

"Si potrebbero ottenere alcuni dei benefici dell'ala sottile senza la capriata, ma la capriata ci permette di estendere realmente l'ala per massimizzare i suoi benefici", ha detto Kenyon. "Possiamo anche ripiegare le punte delle ali in modo che i cancelli dell'aeroporto non abbiano bisogno di essere riordinati"

Anche se sono stati studiati altri progetti di velivoli rivoluzionari - come il Double Bubble e il Blended Wing Body - la tecnologia TTBW mostra la maggiore promessa per essere pronta al più presto.

"Pensiamo che il design del TTBW e la tecnologia associata potrebbero essere pronti per i produttori e le compagnie aeree a prendere in considerazione l'utilizzo entro i dieci anni che stiamo considerando, mentre gli altri potrebbero aver bisogno di altri cinque o dieci anni", ha detto Kenyon.

4. Compositi ad alto tasso

I materiali compositi sono stati utilizzati in ambito aerospaziale per decenni. Possono essere fabbricati in forme complesse, sono strutturalmente più resistenti e pesano molto meno delle stesse parti in metallo. Inoltre, durano più a lungo e sono più facili da riparare se danneggiati.

Ma ci sono ancora opportunità per aumentare l'uso dei compositi nell'aviazione, soprattutto nella costruzione di grandi aerei. Anche se l'industria ha fatto progressi - il cinquanta per cento del 787 Dreamliner della Boeing è fatto di materiale composito - c'è ancora molto lavoro da fare.

Due sfide legate a un uso significativamente maggiore dei compositi devono essere superate.

Il primo ha a che fare con la riduzione del tempo necessario per passare dal concetto, attraverso la progettazione, la fabbricazione, il collaudo e la certificazione dei materiali da parte delle autorità federali incaricate di garantire la sicurezza pubblica.

Il secondo ha a che fare con l'aumento della velocità di produzione delle parti in composito - soprattutto dei componenti strutturali più grandi.

Il progetto Advanced Composites della NASA, recentemente completato, ha affrontato la prima sfida.

"Il progetto ha attaccato questo e ha messo in atto un sacco di strumenti. Dai metodi di progettazione alle migliori capacità di modellazione, ai metodi di ispezione e ai processi di automazione delle parti di fabbricazione che ci permettono di ridurre i tempi di certificazione", ha detto Kenyon.

Per affrontare la seconda sfida, la NASA sta pianificando un nuovo sforzo tecnico mirato ad affrontare le barriere per la produzione di compositi ad alto tasso.

"Quello che dobbiamo affrontare ora è proporre idee su come i compositi possano essere prodotti in modo affidabile, ripetibile e con un prodotto di qualità che possa essere regolarmente certificato come sicuro", ha detto Kenyon.

Vantaggi ambientali ed economici

Dato che i piani di ricerca relativi a queste quattro tecnologie continuano ad essere fatti ed eseguiti, qualcuno potrebbe chiedersi perché la NASA sta facendo questo?

La risposta è che tutti questi sforzi fanno parte del Piano di Implementazione Strategica della NASA Aeronautica, che è stato sviluppato attraverso l'ascolto delle esigenze di altre agenzie governative, dell'industria, del mondo accademico e di altre parti interessate nel futuro dell'aviazione.

E lo stimolo a fare questo lavoro va ben oltre il sincero desiderio di aiutare l'ambiente del pianeta.

"Possiamo investire nelle cose che sono per il bene superiore, ma non costruiamo, produciamo o gestiamo aerei commerciali. Ci limitiamo a sviluppare tecnologie in modo che l'industria possa portarle sul mercato in modo competitivo, come desiderato", ha detto Kenyon.

La buona notizia è che lo stesso insieme di tecnologie in grado di ridurre le emissioni di carbonio sono quelle che riducono il consumo di carburante, che a loro volta riducono i costi operativi per le compagnie aeree. E se questi nuovi aerei sono interessanti per le compagnie aeree, allora i costruttori vorranno costruirli, migliorando anche i loro profitti.

"Tutto questo allinea i nostri incentivi in modo da poter lavorare tutti insieme in termini di qualcosa di buono per il clima, per la sostenibilità, è qualcosa di buono per il mercato, e aiuta gli Stati Uniti a mantenere il loro ruolo di leader mondiale nel settore dell'aviazione", ha detto Kenyon.

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