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Maestro, pronti al decollo

Il programma di ricerca europeo, dedicato ai piccoli aerei da trasporto, ha contribuito alle innovazioni che voleranno con il GE Catalyst e in futuro evolverà ancora più eco-sostenibile.

Aug 2020

Nel mondo dell’aviazione possono ricorrere suggestivi intrecci di professionalità speciali, tecnologie prorompenti e nuovi prodotti. Un po' quello che è accaduto a Lorenzo Fattorini: il giovane ingegnere che un paio di anni fa raccontava del suo ingresso nel team Additive Design & Technologies di Avio Aero con la missione di studiare e sviluppare soluzioni per realizzare componenti per nuovi programmi motoristici tramite processi di additive manufacturing.

A quel tempo, Fattorini cominciò a esplorare e applicare le inimmaginabili opportunità che l’additive – ovvero la stampa 3D metallica – concede ai designer di motori aeronautici in termini di libertà geometrica e flessibilità nella progettazione. “L’esperienza maturata è stata fondamentale poiché mi ha fatto crescere sul fronte gestionale, permettendomi di entrare nelle logiche di gestione progetti all’interno di finanziamenti europei, e altrettanto sul fronte tecnico, grazie al lavoro svolto per i componenti molto innovativi, come l’ACOC (Air Cooled Oil Cooler) per il Racer di Airbus Helicopters.”

Oggi, Fattorini lavora insieme a una dozzina di altri ingegneri Avio Aero – e in collaborazione coi team della cosiddetta GE Federated Europe Engineering quali, GE Aviation Czech, GE Aviation Company Polska, EDC, Aviation Advanced Technologies (Munich), Dowty Propellers and GE Aviation Systems (Cheltenham, UK) – a tempo pieno sul progetto Maestro di Clean Sky 2. Parte del più grande programma europeo di ricerca votato alla decarbonizzazione dell’aviazione e ad ambiziosi obiettivi di eco-sostenibilità, il progetto Maestro punta alla riduzione di emissioni CO2, di NOx e anche di rumore per i motori del segmento relativo ai piccoli aerei da trasporto, ovvero i turboelica.

Lorenzo Fattorini, Lead Engineer - Emerging Technologies at Avio Aero

Equazione semplicissima per gli ingegneri di Avio Aero: additive manufacturing, motore turboelica prestazioni ed efficienza elevate, consumi ed emissioni ridotte… è uguale a GE Catalyst. “In questo nuovo lavoro sono passato dal gestire un’attività tecnica molto ridotta alla gestione più ad alto livello del progetto nel suo insieme, e così ho aggiunto interessantissimi aspetti legati all’interazione con altri grandi player del mercato e, soprattutto, una visuale molto più concreta sull’applicazione finale per le tecnologie studiate negli ultimi cinque anni a bordo del nuovo motore Catalyst.”

Sin dal suo avvio nel 2015, il progetto Maestro ha prodotto una serie di maturazioni tecnologiche davvero interessanti per il segmento Small Air Transport (una delle categorie di applicazioni aeronautiche della lunga lista presente in Clean Sky 2). In primis, il compressore è un componente che può essere considerato il “fiore all’occhiello dell’innovazione”: permette infatti un rapporto di 16:1, ovvero l’aria in ingresso nel motore viene compressa fino a 16 volte all’uscita. “Si tratta di un miglioramento enorme, senza eguali tra i motori turboelica attualmente disponibili sul mercato, che inoltre garantisce una riduzione del 7% nelle emissioni totali di CO2.”

Tali sviluppi tecnologici per il modulo compressore e per quello turbina - in quest’ultimo, l’ottimizzazione delle perdite aerodinamiche dalla zona di collegamento tra turbina di alta pressione e bassa pressione fino alla zona di scarico ha permesso di aumentare l’efficienza propulsiva e insieme un’ulteriore riduzione di CO2 del 3% - sono effettivamente parte integrante (e tangibile) del contenuto tecnologico d’avanguardia a bordo del nuovo motore Catalyst.

The AAT in Munich Germany celebrating the success of ACCV test in 2017

“Quando iniziammo al lavorare sul design di un nuovo compressore secondo i requisiti innovativi del progetto Maestro (incluso quello del rapporto di pressione totale a 16, inedito per il settore) ci affidammo ai sistemi modellazione 3D più moderni e utilizzati nella progettazione di motori commerciali per aerei a lungo raggio, oltre che all’inserimento di pale a geometria variabile” spiega Rudolf Selmeier, Consulting Engineer del team di GE Aviation a Monaco di Baviera. “In seguito, la complessa campagna di test ACCV (Axial-Centrifugal Compressor Vehicle) condotta insieme alla Technical University of Munich per validare gli aspetti aerodinamici e aeromeccanici ci condusse dritti al compressore realizzato per il Catalyst: un lavoro di sviluppo per un prodotto GE reale che abbiamo condotto insieme ai colleghi di EDC e GE Aviation Company Poland, responsabili del design meccanico del compressore nonché delle verifiche aeromeccaniche come dello stesso design meccanico del banco su cui eseguimmo i test ACCV.”

Gli appassionati della vasta narrativa aeronautica che negli ultimi cinque anni ha scandito i più importanti traguardi in termini di concept, sviluppo e testing del GE Catalyst, sanno perfettamente che si tratta del primo turboprop con svariate parti stampate in 3D tramite additive manufacturing, la specialità tecnologica con cui Fattorini ha esordito nell’industria.

“Il combustore ha visto una notevole maturazione tecnica e prestazionale, è stato sviluppato in modo da ridurre del 24% le emissioni di NOx, specie grazie all’applicazione di componenti stampati in 3D come gli swirler” continua Fattorini. “La Power Gear Box del Catalyst poi è una best practice assoluta: il suo case in additive semplifica 70 diversi pezzi in soli 2, con una riduzione di massa totale dell’11%, migliorando persino la funzionalità della parte stessa all’interno della catena di trasmissione di potenza.”

The case of the GE's Catalyst power gear box right after the additive manufacturing process

"La Power Gear Box del Catalyst è una best practice assoluta: il suo case in additive semplifica 70 diversi pezzi in soli 2, con una riduzione di massa totale dell’11%, migliorando persino la funzionalità della parte stessa all’interno della catena di trasmissione di potenza."

Le capacità digitali del Catalyst – brillantemente contenute nel suo cervello elettronico (il FADEC con controllo integrato dell’elica) che gli permette di essere pilotato come un jet nonché con il simulatore unico nel suo genere situato in Avio Aero a Brindisi - “fanno scopa” con la componente digitale che ha interessato anche il progetto Maestro e il conseguente patrimonio di dati che rappresenta un tesoro di pura intelligenza per il motore.

“Abbiamo sviluppato internamente un software che è in grado di predire le prestazioni motore nelle sue varie fasi di volo” dice Fattorini, “questo modello è stato verificato e definito sfruttando i dati derivanti dai test sul motore completo eseguiti in Repubblica Ceca, ottenendo risultati davvero ragguardevoli sulla capacità di previsione del modello stesso. Si è rimasti particolarmente soddisfatti della previsione dei dati in fase transitoria, la più mutevole, veloce e quindi complessa da simulare, ottenendo un margine di errore prossimo al 2% medio.”

Se sorprende il fatto che il motore Catalyst (in soli cinque anni) sia diventato il trampolino di lancio per la ricerca aeronautica ad alto livello ed efficiente impatto ambientale, stupirà ancor più conoscere prospettive e ambizioni future del progetto Maestro (inserito nel più ampio e visionario operato di Avio Aero in ambito di ricerca europea per l’elettrificazione del volo). Infatti, è in corso un intenso lavoro di sviluppo condotto insieme a un costruttore di velivoli, Piaggio Aerospace, finalizzato a ripensare il motore nel velivolo, con la propria strumentazione ed equipaggiamento, secondo un’architettura ibrido-elettrica.

Si chiamerà e-Maestro, e insieme alla spinta più pulita di sempre ottenuta da un motore aereo, potrà offrire basse emissioni di rumore grazie a studi aggiuntivi sull’attività legata alle pale dell’elica, ma anche un combustore ancora più avanzato capace di ridurre ulteriormente le emissioni. “Abbiamo subito visto una grande opportunità di portare avanti uno studio approfondito sull’architettura ibrido-elettrica, in particolare per due motivi” conclude Fattorini. “Il primo è che seguiremo a lavorare su un velivolo e relativo motore per lo stesso segmento quindi con dimensioni ridotte, una richiesta di potenza limitata e forti di una notevole esperienza tecnica accumulata fin qui. Il secondo è conseguenziale, poiché con tale approccio potrà essere facilitata la scalabilità e, una volta definiti progressi, trasferire tali tecnologie su velivoli di taglia maggiore.”

Gli ingegneri impegnati su e-Maestro stanno dunque già guardando a una combinazione perfetta tra architettura velivolo e motore che si adatti al meglio a questo settore di mercato e conceda di sviluppare ogni componente necessario al suo funzionamento, in modo da approntare una soluzione realmente applicabile su un velivolo.

“I primi studi sull’ibrido-elettrico confermano il trend di design che vuole un tipo di propulsione distribuita, ovvero dotata di eliche multiple in modo da offrire il miglior compromesso peso/efficienza” conclude Fattorini. “Tali avanzamenti tecnologici influenzeranno con molta probabilità anche il percorso ibrido-elettrico che il Catalyst potrà intraprendere autonomamente in futuro, e di nuovo in parallelo con e-Maestro. Nei prossimi mesi, saremo in grado di comprendere meglio il potenziale di sostenibilità e taglio emissioni nel prosieguo del lavoro sull’ibrido-elettrico”. Si prevedono dunque elettrizzanti nuovi episodi della storia!

Cover image credits: GE Aviazion Czech, CVUT.