AERONAUTICA

AERONAUTICA (I, p. 594; App. I, p. 32; II,1, p. 34; III, 1, p. 28)

Industria aeronautica. - Negli anni Sessanta il notevole incremento del traffico commerciale, specialmente sui lunghi percorsi (il 90% del traffico passeggeri da e per gli Stati Uniti è assorbito dal trasporto aereo), ha imposto alle industrie aeronautiche la costruzione di aerei con forti autonomie e forti carichi paganti (è infatti di quest'epoca, 1963, l'impostazione da parte della Boeing del velivolo B 747, capace di trasportare alcune centinaia di passeggeri), mentre la tendenza, in campo militare, a ottimizzare le caratteristiche operative al fine di conseguire la supremazia aerea, costringe le industrie a realizzare aerei sempre più veloci. È ovvio quindi che in questo periodo l'industria aeronautica mondiale si espande notevolmente grazie anche alla spinta esercitata dallo sviluppo dell'astronautica.

I finanziamenti per molte ricerche avanzate nel campo aeronautico sono incoraggiati anche dalla situazione politica mondiale, che favorisce i programmi di difesa e i programmi spaziali.

Tale situazione favorevole permette all'industria aeronautica di realizzare molti dei progetti già impostati, con un'eccezione di rilievo costituita dai VTOL (Vertical Take-Off and Landing, velivoli a decollo e atterraggio verticale) per i quali non si è ottenuto lo sviluppo che l'interesse iniziale aveva lasciato supporre.

L'industria aeronautica va evolvendosi sempre più in quel processo di decentramento e specializzazione della produzione, ma, soprattutto in Europa, va anche assumendo sempre più risalto la cooperazione tra le industrie di paesi diversi al fine di suddividere le spese e i rischi inerenti alla progettazione e costruzione di velivoli avanzati.

Negli anni Settanta però vengono messi in discussione alcuni tra i progetti più avanzati specialmente nel campo degli aerei da trasporto commerciali.

Ci s'incomincia a chiedere se valga ancora la pena di costruire aerei veloci, come il Concorde, e se le prestazioni di questi aerei si traducano effettivamente in vantaggi economici e sociali per la collettività.

Nel passato, infatti, le ridotte dimensioni degli aerei e il loro relativamente poco frequente impiego significavano per il trasporto aereo l'assenza quasi totale di ogni interferenza con le esigenze della comunità. Oggi l'elevato livello del rumore, il bang sonico, i frequenti decolli e atterraggi in prossimità delle maggiori città, comportano una certa interferenza del trasporto aereo sulla qualità di vita di parte della popolazione. Al riguardo si cerca d'intervenire riducendo i livelli di rumore e d'inquinamento indotti dai mezzi aerei e ponendo limiti all'ubicazione dei nuovi aeroporti. Il maggior disturbo per la comunità proviene senz'altro dal rumore; basti pensare alla campagna contro il Concorde e alla conseguente presa di posizione di alcuni organismi internazionali di controllo.

Per quel che riguarda l'inquinamento atmosferico legato al mezzo aereo c'è da osservare che esso rappresenta una bassissima percentuale (circa 1%) di quello totale; mentre studi recenti sembrano escludere ogni preoccupazione relativa al depauperamento dello strato di ozono che circonda il nostro pianeta e che svolge un'insostituibile funzione di filtro delle radiazioni che arrivano sulla superficie terrestre.

Non è superfluo mettere in evidenza l'importanza che ha assunto in questo quindicennio il mezzo aereo sotto l'aspetto del "lavoro aereo".

In quest'ambito può considerarsi un ampio numero di attività, quali per es. la pubblicità aerea, l'aerofotogrammetria, l'aviazione agricola e forestale, il soccorso aereo, l'aerotaxi, ecc. Solo in Italia sono operanti circa 40 società che si occupano essenzialmente di lavoro aereo.

Al di là degli aspetti tecnici ed economici connessi a queste attività, è indubbio il loro significativo aspetto sociale. Basti ricordare l'importanza che ha assunto in alcuni paesi, e che si appresta ad assumere anche in Italia, l'attività di lotta antincendio a salvaguardia del patrimonio boschivo, nonché l'attività di pronto intervento, molte volte determinante nelle calamità naturali, o di trasporto d'urgenza di malati o di farmaci.

Sempre nell'ambito del lavoro aereo ha assunto notevole importanza l'attività di rilevamento delle risorse naturali (minerarie, petrolifere, di pesca e agricoltura, ecc.) di vaste zone territoriali. Per rendersi conto poi dell'importanza economica che l'industria nei settori aeronautici e aerospaziali ha raggiunto nei vari paesi della CEE e negli SUA, in tab. 1 è riportato il fatturato totale di ogni paese.

Costruzioni aeronautiche. - Per ciò che riguarda l'aspetto tecnologico e scientifico è da mettere in risalto che alle discipline tradizionali, quali, per es., la meccanica dei fluidi e la teoria delle strutture, si sono aggiunte e hanno assunto un ruolo di particolare risalto molte altre discipline tra le quali, tanto per citarne qualcuna, dal punto di vista teorico, la magnetofluidodinamica e l'aeroelasticità, e, dal punto di vista tecnico-economico, l'organizzazione dei servizi aerei e l'avionica.

Il supporto analitico richiesto da alcune delle nuove discipline è particolarmente raffinato, per cui i problemi d'ingegneria aeronautica trovano una loro adeguata soluzione soltanto attraverso la collaborazione tra specialisti nei vari rami delle discipline scientifiche.

Fino al 1960 la ricerca aeronautica era in prevalenza indirizzata verso l'incremento della velocità. Ma nell'ultimo quindicennio sono emersi, come già accennato, due nuovi fattori, quello economico e quello ecologico-sociale, che impongono delle scelte di fondo, quali il non superamento di certi limiti di velocità (3 mach), di certi costi di esercizio e di manutenzione, di un certo livello di rumore e d'inquinamento atmosferico, modificando così il quadro della ricerca aeronautica. Lo scopo di quest'ultima è oggi non tanto quello di ricercare vistose innovazioni tecniche, quanto quello di esplorare soluzioni di compromesso tra i fattori tecnico, economico e sociale.

Questo nuovo indirizzo della ricerca, che si è affiancato a quello tradizionale, non ne ha certo diminuito l'importanza, bensì sotto l'aspetto tecnico l'ha costretta a esplorare i campi relativi a un sempre più spinto affinamento dei propulsori, delle strutture e dell'aerodinamica. E ciò è stato reso possibile anche dalla disponibilità di potenti macchine calcolatrici e di procedimenti analitici estremamente avanzati.

Nel campo dei propulsori si è avuta la netta tendenza all'affermarsi dei turbofans (v. propulsione, in questa App.), che si sono aggiunti, e in molti casi sostituiti, agli altri tipi di turboreattori grazie ai minori consumi specifici e ai maggiori rapporti spinta/peso (tab. 2) e alla minore rumorosità.

Dalla tabella inoltre si nota come le spinte sono state triplicate mentre i rapporti spinta/peso hanno raggiunto il valore 6. I consumi specifici sono scesi, dal valore 0,8 kg/(kg•h) della precedente generazione di turbogetti, a circa 0,34 ÷ 0,38 kg/(kg•h), cioè (chilogrammi di combustibile per chilogrammo di spinta e per ora di funzionamento).

Dalla fig. 1 si rileva come grazie al turbofan il rumore laterale e quello in avvicinamento provocato da un aereo di linea sugli scali sia sensibilmente diminuito rispetto a quello emesso dai primi turbogetti. Questo si verifica perché il turbofan è in sostanza un turboreattore tradizionale a cui è stata aggiunta una ventola intubata, anteriormente o posteriormente al motore, e in cui sono presenti due flussi d'aria: quello caldo, che segue il processo termodinamico tradizionale dei turbogetti, e quello freddo in cui l'aria compressa dalla ventola subisce successivamente un'espansione in un ugello di scarico incrementando la spinta. Si vengono così ad attenuare gli effetti del mescolamento dell'aria esterna con i gas caldi che fuoriescono dall'ugello di scarico a elevata velocità, che è la fonte principale del rumore. Il tasso di diluizione, cioè il rapporto tra la portata del getto freddo della ventola e quello caldo dell'ugello di scarico raggiunge valori elevati (8 : 1 nel turbofan CF6 della General Electric), con conseguente diminuzione del consumo specifico.

I carburanti utilizzati per i turbofans, come per i turbogetti, sono ancora i prodotti derivati dal petrolio, mentre non si esclude per un futuro non lontano l'impiego di propulsori utilizzanti come combustibile idrogeno puro. A questo proposito c'è da sottolineare che l'impiego della propulsione nucleare è da considerarsi inattuabile perlomeno a breve scadenza.

A causa del suo particolare ciclo termico, il motore a reazione scarica nell'ambiente un quantitativo ridottissimo di sostanze inquinanti. Gli studi sulle camere di combustione hanno consentito di ottenere sotto questo aspetto significativi risultati.

Il potenziale di sviluppo del motore a turbina aeronautico è comunque notevole e sono ancora possibili sensibili progressi legati soprattutto alla realizzazione di leghe metalliche capaci di sopportare temperatura superiori ai circa 850 °C, che è la temperatura massima che si raggiunge attualmente nelle turbine dei motori a reazione.

C'è infine da sottolineare che i recenti motori aeronautici hanno un grado di affidabilità così elevato da giustificare l'attuale tendenza alla diminuzione del numero di motori installati sugli aerei.

Per quanto riguarda le strutture si può osservare che anche negli aerei più significativi dell'ultimo quindicennio, cioè gli aerei a geometria variabile, gli aerei a grande capacità di carico, e i supersonici Concorde e TU 144, esse sono rimaste di tipo tradizionale anche se in alcuni casi si presentano più complesse, come, per es., nei supersonici civili sui quali la prora del velivolo può essere abbassata per consentire un'adeguata visibilità nelle fasi di decollo e di atterraggio. I materiali prevalentemente utilizzati sono rimasti le leghe leggere a base di alluminio anche se sempre maggiore diffusione vanno incontrando le leghe di titanio soprattutto nei velivoli militari veloci (mach 22) nei quali assumono particolare rilievo i fenomeni di riscaldamento aerodinamico.

Dal punto di vista tecnologico sono entrare nell'uso la fresatura chimica per la realizzazione delle parti strutturali dell'ala e della fusoliera, che risultano più sollecitate, e l'utilizzazione di speciali collanti per l'assemblaggio.

Le novità in campo aerodinamico sono legate in buona parte alle soluzioni studiate per gli aerei a geometria variabile e per i supersonici. Sono state così realizzate, per quanto riguarda l'aerodinamica interna, prese d'aria supersoniche e compressori supersonici, mentre per quanto riguarda l'aerodinamica esterna c'è da mettere in risalto l'adozione dei profili alari supercritici e, anche se non costituisce una vera e propria novità, l'applicazione, nel supersonico sovietico TU-144, delle alette canard retrattili (i due baffi retrattili che fuoriescono dal dorso della prua al di sopra dell'abitacolo) che migliorano le caratteristiche di decollo e di atterraggio del velivolo.

Nell'ultimo quindicennio notevoli progressi sono stati realizzati nel perfezionamento dei metodi analitici d'indagine sia per quanto concerne le sollecitazioni nelle strutture sia per quel che riguarda i fenomeni vibratori e aerodinamici.

Oggigiorno si può affermare che i valori ottenuti con l'utilizzazione del metodo degli "elementi finiti" per lo studio di svariati problemi riguardanti i mezzi continui si discostano di poco dai valori veri.

Il suddetto metodo consiste nell'idealizzazione di un mezzo continuo con un numero discreto di elementi finiti di forma adeguata e collegati tra di loro in un numero finito di punti detti nodi e nel ricercare il legame, che viene espresso in forma matriciale, esistente in questi punti tra i parametri in gioco nei singoli problemi.

È così possibile, con l'ausilio dei calcolatori elettronici, risolvere, per via numerica, problemi relativi al campo aerodinamico intorno a un'ala, problemi relativi alla trasmissione del calore, problemi di stress e di aeroelasticità, ecc. In fig. 2 è rappresentata una delle possibili suddivisioni in elementi finiti, effettuata sulla struttura del noto velivolo Starfighter F 104 G, per studiarne lo stato tensionale e il comportamento aeroelastico.

In campo strutturale inoltre notevoli progressi hanno subìto gli studi relativi alla fatica e al criterio del failsafe (sicurezza al collasso), cioè il criterio in base al quale una struttura viene realizzata in modo che il cedimento di un elemento resistente non ne provochi il collasso generale.

Bibl.: O. C. Zienkiewicz, Y. K. Cheung, The finite element method in structural and continuum mechanics, New York e Londra 1972²; J. H. Argyris, Recent advances in matrix methods of structural analysis, Oxford 1975.