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Sfide glaciali

Il Catalyst supera anche la campagna di icing test che lo ha messo alla prova tra temperature glaciali, grazie a un team di esperti ingegneri e alle loro abilità meteorologiche ma anche agonistiche.

Mar 2021

L’esperienza di navigazione a vela tra le deliziose isole del golfo di Napoli o le spettacolari Cicladi nell’Egeo può rivelarsi molto preziosa in un ambiente che sta esattamente agli antipodi. Il Canada, ad esempio, durante la campagna di test in condizioni climatiche di gelo estremo che il nuovo motore Catalyst ha affrontato per comprovare le sue capacità operative e performance

“Complessivamente, abbiamo impiegato 4 anni, considerando preparazione, pianificazione, definizione ed esecuzione finale dei test: nel 2017, raggiungemmo per la prima volta il Gas Turbine Research Facilities del National Research Council (NRC) a Ottawa, dove si trova l’impianto di test”. Paolo Vanacore è il Senior Engineer Inclement Weather di GE Aviation a Monaco di Baviera ed è anche un esperto velista: “nel mio primo colloquio per Rolls-Royce, all’inizio del mio percorso professionale nel mondo dell’aviazione, mi interrogarono sulla meteorologia e io risposi secondo le mie capacità di velista… così mi assegnarono a inclement weather (sezione chiave della progettazione aeronautica, ndr.).”

Dopo i primi 8 anni in Inghilterra alle prese con motori per medio-lungo raggio, Vanacore - napoletano laureatosi ingegnere meccanico alla Federico II e con un PhD al Von Karman Institute - entrò in GE nel 2015 per occuparsi delle stesse tematiche sul programma LEAP e poco dopo, quando il nuovo turboprop di GE stava prendendo forma a circa mezzo secolo dall’ultimo motore di quel tipo uscito sul mercato, ha iniziato a dedicarsi all’icing test.

The GE Catalyst installed inside the "icing" test cell at National Research Council (NRC) in Ottawa, Canada.

“Abbiamo testato il Catalyst a Ottawa per due inverni consecutivi, nel 2019 e nel 2020. Per circa due mesi a tempo pieno, di solito i mesi più freddi di gennaio e febbraio”, spiega Vanacore che ha contato sulle specialità del suo team tedesco di Inclement Weather Strategy & Leadership and Certification Compliance, e dei team europei, quali Avio Aero, GE Aviation Czech e EDC di Varsavia, che hanno seguito il Catalyst in ogni aspetto della progettazione e produzione sin dal principio. E, data la rilevanza della campagna, ha contato anche sul prezioso supporto analitico-numerico dei team di GEIQ Messico e del GE Engineering Centre di Bangalore.

“Nei due anni precedenti l’inizio dell’icing test, abbiamo preparato e definito l’esteso protocollo chiamato CPA (Icing Critical Point Analysis)”, continua Vanacore citando il documento delle autorità aeronautiche, FAA ed EASA, che fornisce le linee guida e i parametri per le prove del motore a qualsiasi regime (dal minimo, al taxi, ai decolli e atterraggi, alla crociera e svariate manovre sino alla massima potenza).

Prove inedite per un turboprop in un certo senso, dato che questo CPA per diversi decenni non è stato impiegato su motori da certificare ex-novo per il segmento dell’aviazione generale. Dopo quel primissimo viaggio del 2017 in Canada - quando con i colleghi europei approntarono la sala di test, la ispezionarono predisponendo i sistemi per l’acquisizione dei milioni di dati che si sarebbero raccolti durante le prove con il motore - Vanacore si trovò di nuovo all’NRC di Ottawa nel gennaio 2020 allorché il Catalyst era stato installato sul banco di prova.

Paolo Vanacore is Senior Engineer Inclement Weather at GE Aviation Advanced Technology in Munich, Germany.

L’icing test serve a certificare che il motore funzioni correttamente secondo parametri e livelli che verificano l’integrità di ogni singola parte fissa o rotante, la velocità di rotazione, la potenza, la pressione e la temperatura

Ma il sopraggiungere della pandemia costrinse il team già agli inizi di marzo a ripiegare in Europa, e gli ingegneri dovettero riorganizzare il loro lavoro nel quadro di una crisi globale senza precedenti. “Non ci perdemmo d’animo, pur non potendo raggiungere il Canada ci coordinammo con il team residente all’NRC e godemmo anche del supporto dei colleghi di Evendale (decisamente più vicini di noi)” racconta Vanacore.

“La seconda fase di test è ripresa infatti lo scorso gennaio, grazie in particolare a Steve Erickson di GE Aviation Czech e a Kwadwo Owusu del centro sperimentale di GE a Winnipeg (Canada, ndr.) che si sono uniti ai team locali per proseguire e terminare la campagna ai primi di marzo. Addirittura, siamo stati capaci di seguire le attività in tempo reale grazie a telecamere sia esterne sia interne al motore: otto microcamere non invasive che monitoravano i componenti del motore per centrare l’obiettivo principale dei test, ovvero verificare che accumuli o persino erosione del ghiaccio non danneggiassero la meccanica o minacciassero l’operatività e le perfomance stesse. Strumenti di chiara e diretta comunicazione che sono stati fondamentali, anche per esempio per gli ingegneri delegati dell’ODA (Organization Designation Authorization) che hanno potuto seguire e supervisionare la compliance per conto della FAA.”

L’icing test, dunque, serve a certificare che il motore funzioni correttamente secondo parametri e livelli che verificano l’integrità di ogni singola parte fissa o rotante, la velocità di rotazione, la potenza, la pressione e la temperatura. I sensori e gli strumenti di rilevazione installati attorno e dentro al motore, con l’ausilio dei video, permettono di consultare lo “stato di salute” e la risposta del motore in ogni frangente della prova, a ogni regime propulsivo.

The test room at the NRC is connected to the outside environment through a wind tunnel.

La sala test di Ottawa presso l’NRC è collegata all’ambiente esterno attraverso una piccola galleria del vento lunga circa 10 metri: da qui, l’aria gelida dell’inverno canadesi viene aspirata all’interno e miscelata a goccioline d’acqua spruzzate sottozero da un sistema di micro-diffusione interno al tunnel. Le condizioni atmosferiche e le temperature in volo sono così generate e convogliate verso il motore sotto forma di nuvole fatte di piccole gocce a temperature sottozero.

“Le goccioline che compongono queste nuvole uniformi vanno da dimensioni di circa 15 micron a pochi millimetri, e temperature dai -20 a 0 gradi Celsius, simulando la variabilità dell’altitudine fino a circa 30 mila piedi (9 Km)” spiega Vanacore. “Quando scendono sotto i -20, arrivando a -40 ad esempio, nelle nuvole cominciano a costituirsi dei cristalli di ghiaccio che (specie in quota a certe velocità) diventano come pietre… noi abbiamo condotto test che portavano queste nuvole a scagliarsi contro il motore seguendo traiettorie estese, simulando manovre di volo in verticale od orizzontale, con densità e consistenze variabili a seconda delle temperature ma anche della velocità o dell’angolo di impatto”.

Accade proprio così quando siamo in volo, per quanto seduti in cabina potremmo non accorgercene: “le goccioline trasportate dall'aria possono rimanere liquide in natura ma, non appena un aereo vola attraverso la nuvola, si congelano immediatamente al primo impatto con superfici metalliche fredde, come fusoliera, pale dell'elica, presa d’aria del motore e quindi compressore… a meno che tali parti siano sufficientemente resistenti al gelo”.

Ice samples collected post engine icing test were weighed, measured in inches and used for further method validation.

La risposta del motore ha superato le aspettative, così come il nostro sistema Anti-Icing disegnato ad hoc, dimostrando un alto livello di affidabilità persino in caso di condizioni meteo tanto estreme in cui di rado un aereo in servizio è costretto a trovarsi

Durante centinaia di ore simulando tutte queste condizioni di volo, i dati vengono analizzati e incamerati contribuendo a comprovare ma anche ottimizzare la capacità e l’affidabilità dei materiali così come del design. Infine, contribuendo alla riduzione dei rischi e dunque alla sicurezza. “I risultati sono stati eccellenti” afferma Vanacore, “abbiamo persino simulato la riaccensione dopo lunghi periodi di inattività a temperature polari. La risposta del motore ha superato le aspettative, così come il nostro sistema Anti-Icing disegnato ad hoc, dimostrando un alto livello di affidabilità persino in caso di condizioni meteo tanto estreme in cui di rado un aereo in servizio è costretto a trovarsi.”

Secondo Vanacore, questa esperienza è stata una best practice per la multidisciplinarietà delle analisi e dei test eseguiti. Ed è stata una sfida nella sfida climatica, poiché per un’ottima riuscita è stato necessario pianificare (e adattarsi) in base alle condizioni meteo locali in modo da convogliare nel tunnel quantità e temperatura d’aria adatte per ogni specifica prova.

“È stato un po’ come trovarsi a cercare il vento in mare con il proprio equipaggio… beh, qui un team di 20 tecnici cercava il freddo e il gelo ovviamente, ma il livello di agonismo e soprattutto di coesione durante questa lunga e infreddolita regata ci ha premiato con una bella vittoria!”

Photos of the test cell in page are courtesy of the National Research Council (NRC) of Ottawa, Canada. Cover image credits: Radek Novotny - GE Aviation.