Aviation
Catalyze This!
Come 400 ingegneri europei sono riusciti a unire le loro menti per reinventare il turboprop che motorizzerà il nuovo Beechcraft Denali.
Aug 2021
Quando Sanford Moss brevettò un'ingegnosa turbina a gas più di un secolo fa, sperava che quella macchina avrebbe cambiato il mondo. E alla fine lo ha fatto, anche se non nel modo in cui aveva originariamente immaginato.
La turbina a gas di Moss usava troppo carburante e produceva troppa poca elettricità, quindi la mise da parte e passò ad altri lavori. Poi, nel 1917, il National Advisory Committee for Aeronautics, il predecessore della NASA, venne chiamato in causa. La Prima guerra mondiale, il primo conflitto che ha coinvolto gli aerei, infuriava e il governo voleva che GE aiutasse gli aerei da guerra americani a volare meglio nell'aria rarefatta ad alta quota. Moss rispolverò il suo brevetto e costruì una turbina radiale che spremeva l'aria che entrava nel motore fino a renderla densa come l'aria al suolo. Il dispositivo, chiamato Turbosupercharger, ha aiutato gli aerei a recuperare la potenza persa e ha fatto guadagnare a Moss un posto nella National Aviation Hall of Fame. Ha inoltre lanciato GE nel settore dell'aviazione. "In pratica ha spostato un aeroporto sul livello del mare, a 14.000 piedi grazie al turbocompressore", afferma Paul Corkery, General Manager di GE Aviation Turboprop.
In un certo senso, Corkery sta camminando lungo il sentiero segnato da Moss. Corkery ha trascorso la prima metà dei suoi trenta anni in GE dedicandosi alle turbine a gas. Oggi è a capo di un team di 400 ingegneri aeronautici europei che hanno sviluppato un nuovo motore turboelica. Ritengono che il motore - il primo di questi nuovi motori per il mercato dei turboelica dell'aviazione generale in 50 anni - eleverà il mercato dell'aviazione a nuovi livelli.
Questo motore turboelica si chiama GE Catalyst, combina nuove tecnologie (inclusa l'additive) con il know-how dei grandi motori a reazione commerciali di GE, con i controlli digitali del motore in un modo che apre nuove opzioni di progettazione per i produttori di aerei. Si prevede che cambierà radicalmente il modo in cui i piloti pilotano gli aerei turboelica e mira a risparmiare carburante e ridurre le emissioni di CO2 fino al 20% rispetto ai motori attualmente sul mercato. Il motore sarà in grado di funzionare con i SAF (Sustainable Aviation Fuels), a volte indicato come biocarburante, e potrebbe anche alimentare nuovi tipi di veicoli aerei senza equipaggio e velivoli ibridi. "In termini di tecnologia, è davvero un fattore abilitante per i costruttori di aerei", afferma Corkery. "Molte delle decisioni che abbiamo preso quando abbiamo iniziato a sviluppare il motore cinque anni fa, ci hanno indirizzato davvero bene per il futuro".
Per ottenere questi risultati, il team di Corkery - sparso tra Repubblica Ceca, Italia, Polonia e Germania – si è affidato a tecnologie avanzate inedite per i turboelica. Ad esempio, la geometria variabile nel compressore del motore Catalyst, una caratteristica originariamente sviluppata da GE e dalla leggenda dell'aviazione Gerhard Neumann per i motori supersonici. Neumann scoprì come far girare le palette sullo statore del motore durante il volo, cambiare la pressione all'interno della turbina e far volare gli aerei più velocemente. Lo stesso concetto nel Catalyst ha permesso agli ingegneri di aumentare la pressione e la temperatura all'interno del motore, così da bruciare il carburante in modo più efficiente e dargli più potenza e velocità in quota. "Più potenza consente al velivolista di progettare una cabina più grande e confortevole e di costruire un aereo in grado di volare velocemente ad alta quota", continua Corkery. “E non solo posso volare più veloce, ma brucio meno carburante ed emetto meno CO2. Sappiamo come farlo per la nostra esperienza sui grandi motori”.
L'anno scorso, GE si è impegnata a diventare carbon neutral nelle proprie attività entro il 2030. Nel Rapporto di sostenibilità 2020 di GE, pubblicato all'inizio di luglio, l'azienda è andata ancora oltre, con l'ambizione di raggiungere zero emissioni entro il 2050. GE, grazie ad Avio Aero, ha collaborato per il Catalyst anche nell'iniziativa Clean Sky dell'Unione Europea, il più grande programma di ricerca europeo dedicato alla decarbonizzazione dell'aviazione, e il suo progetto Maestro.
Alla fine di luglio, GE ha esposto un modello del motore Catalyst all’EAA AirVenture di Oshkosh, nel Wisconsin, forse il più grande raduno al mondo di aziende e appassionati di aviazione. "Il motivo per cui siamo a Oshkosh è perché questo è il centro del mercato degli affari e dell'aviazione generale", afferma Corkery. "Siamo tutti qui e stiamo portando nuove tecnologie". Il vero motore Catalyst è al momento installato su uno speciale aereo di prova, un Beechcraft King Air che a Berlino attende il suo primo volo.
Ma se i grandi motori GE hanno dato al Catalyst la sua forza - infatti può arrivare a 1.300 cavalli di potenza – anche un altro dispositivo, il FADEC (full authority digital engine control), che controlla sia il motore che l'elica, è il suo cervello. Questo consiste di due computer completamente ridondanti che incamerano una sfilza di dati dai sensori su velocità, temperatura e densità dell'aria, altitudine e molti altri fattori e consente al pilota di pilotare l'aereo in modo ottimale.
I jet utilizzano questa tecnologia da decenni, ma nel mercato commerciale dei turboelica, "il pilota è il FADEC", dice Corkery. Il FADEC del Catalyst consentirà al pilota di trascorrere più tempo a pilotare l'aereo che a mettere a punto le impostazioni del motore. "Il FADEC conosce le condizioni in cui si trova il mio aereo e quindi ottimizza il passo dell'elica e il flusso di carburante in queste condizioni", spiega Corkery. “Il pilota non avrà più bisogno di consultare una carta per ottimizzare il volo intorno ai parametri corretti con quattro leve separate. Sarà tutto digitalizzato. Il pilota avrà solo una leva. Sarà come pilotare un jet».
Milan Slapak, CEO di GE Aviation Czech a Praga, dove risiedono gli headquarters di GE Aviation Turboprop, punta altrettanto a un futuro in cui il FADEC “apre le porte al volo autonomo. Ciò non significa che avrai qualcuno nascosto in un container che controlla a distanza il drone, ad esempio, o qualsiasi tipo di veicolo senza pilota", dice Slapak. “Puoi avere l'intelligenza artificiale e quella darà le indicazioni al FADEC e il FADEC si occuperà del resto.”
Se si guarda allo sviluppo del Beechcraft Denali e del motore Catalyst, si è andati davvero di pari passo
Textron Aviation è diventato il primo produttore di aeromobili ad abbracciare le capacità del motore Catalyst. L’azienda ha lavorato con GE per sviluppare un motore che supportasse la progettazione del Beechcraft Denali, un nuovo aereo turboelica ad alte prestazioni, progettato ex-novo. Il monomotore potrà viaggiare a 285 nodi, trasportare 1.100 libbre di carburante e raggiungere 1.600 miglia nautiche con quattro passeggeri e un pilota a bordo. "Se si guarda allo sviluppo del Beechcraft Denali e del motore Catalyst, si è andati davvero di pari passo", afferma Alex Hunt, consulente tecnico di marketing di Textron. "GE ci ha aiutato con i requisiti del motore, necessari per sostenere questo velivolo al fine di creare davvero un aereo in stile business jet".
Facendo eco ai precedenti commenti di Corkery, la cabina simile a un jet del Denali è un buon esempio di questa collaborazione. Gli ingegneri di Textron hanno realizzato la spaziosa cabina partendo da un unico pezzo di alluminio, per ottenere una maggiore resistenza e aumentare le dimensioni della cabina. Textron Aviation fa un uso estensivo di componenti monolitici lavorati ad alta velocità proprio come fa nei suoi jet più grandi, per ridurre il peso, i costi e aumentare le dimensioni della cabina. L'aria aspirata dal motore attraverso un sistema di pressurizzazione digitale provvede alla pressurizzazione della cabina in modo che i passeggeri che viaggiano a 30.000 piedi si sentano come a soli 6.000 piedi. Questo è un tipo di esperienza godibile solo sui moderni aerei passeggeri, come il Boeing 777X. “È molto comodo per i passeggeri. Arrivi rilassato, riposato”, dice Hunt.
Come molti costruttori di aerei o linee aeree oggi, Hunt è entusiasta dell'efficienza del motore e della sua capacità di funzionare con i SAF. "Uno dei maggiori investimenti di Textron Aviation ultimamente è stato nei combustibili sostenibili", afferma Hunt. “La nostra intera flotta di velivoli a turbina può essere alimentata da SAF e siamo entusiasti di continuare con il motore GE Catalyst sul Beechcraft Denali. I bio-carburanti per l'aviazione aiutano davvero a ridurre l'impronta di carbonio".
Corkery e il suo team hanno sviluppato il motore GE Catalyst interamente in Europa. (Hanno eseguito alcuni icing test in Canada.) Gli ingegneri italiani di Avio Aero hanno aiutato a progettare il motore e le parti chiave come la trasmissione di potenza, il FADEC e i componenti della turbina ad alta pressione; i team in Polonia e Germania hanno lavorato al compressore e ad altre parti; la Repubblica Ceca ha fornito lo stabilimento, le celle per le prove a terra e l'impianto di assemblaggio. "Organizzare rapidamente 400 persone nel tuo team non è un compito facile", spiega Corkery, "quindi andiamo dove ci sono gli impianti".
L'azienda ha anche collaborato con l'Università di Praga (CVUT) per sviluppare una nuova metodologia di manutenzione predittiva per i moderni motori turboelica come il Catalyst. Il velivolo di prova di CVUT effettuerà test in volo, generando dati per la ricerca. Il primo volo si avrà a Berlino, ma il grosso dei test si svolgerà nella Repubblica Ceca. "Ogni nuovo motore che viene sviluppato oggigiorno necessita anche di un monitoraggio delle prestazioni allo stato dell’arte e di un modello predittivo", afferma Slapak. "CVUT ha scelto il King Air 350 come piattaforma di volo ideale per alimentare la ricerca e lo sviluppo del modello con i dati e allo stesso tempo siamo felici che l'aereo dell'università sarà quello che renderà il primo volo del motore Catalyst una realtà".
Alla fine, la straordinaria turbina di Sanford Moss ha davvero aiutato a cambiare il mondo. Perciò, forse, non sorprende che ora gli ingegneri di tutto il pianeta che stanno lavorando alle stesse attività cui lui si era dedicato la stiano portando ancora una volta a nuovi livelli.
