THE AVIO AERO

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L’industria aeronautica è fortemente impegnata nel ridurre il proprio impatto ambientale e sulle comunità in termini di emissioni e di inquinamento acustico. Il rumore dei velivoli è tra i più evidenti impatti sull’ambiente e la necessità di ridurlo non è mai stata così stringente.

I velivoli a turboelica rimangono il modo più efficiente (per consumo e per emissioni) per viaggiare in aereo ma sono considerati rumorosi. "Ecco perché è importante comprendere meglio come si genera il rumore e quali sono le nuove tecnologie che ne abilitano la riduzione nei motori turboelica" spiega Davide Giacché, Senior Engineer del team GE Aviation Advanced Technologies con sede a Monaco di Baviera, che sta guidando gli sforzi del team tedesco nell'ambito del progetto FUSIONProp.

FUSIONProp è un progetto di ricerca della durata di tre anni e mezzo, avviato nell'aprile del 2018 nell'ambito del Programma federale tedesco di ricerca per l'aviazione, denominato LuFo, e finanziato dal Ministero tedesco per gli Affari economici e l'energia. Questa tecnologia rappresenta un’occasione unica per far progredire le conoscenze in ambito di acustica delle turboeliche, grazie alla collaborazione con GE Aviation Munich e con numerosi istituti parte dell’Agenzia aerospaziale tedesca (DLR), che vanta esperienze e capacità uniche nei test di volo e nella misurazione del rumore.

La fonte di rumore primaria a bordo di aerei con motori turboprop è l’elica stessa, seguita dal rumore generato dalla fusoliera e dal funzionamento dei motori. Il rumore dell'elica è aerodinamico per natura ed è causato dal moto relativo tra le pale dell'elica e l'aria circostante.

The De Havilland Aircraft of Canada Dash 8-400 used for testing.

In particolare, il rumore dell'elica è costituito sia da una componente tonale che da una componente a banda larga. La componente tonale, di gran lunga la più intensa per l'orecchio umano, è dovuta: allo spostamento del fluido causato dal movimento delle pale (rumore di spessore); al campo di pressione intorno alle pale che si muovono nell'aria (rumore di carico); alla variazione periodica instabile del carico sulle pale, causata, ad esempio, dall'interazione aerodinamica con le strutture circostanti (nelle manovre di volo, ad esempio).

Il rumore a banda larga, invece, ha natura casuale e si verifica come risultato della turbolenza nello strato limite della pala e dell'interazione della pala con la turbolenza nell'aria. Il progetto FUSIONProp segue due percorsi principali di indagine: uno sperimentale, tramite due campagne di test in volo, e uno numerico, con la validazione dei metodi di previsione del rumore delle turboeliche. "I parametri che influenzano il rumore prodotto da un'elica sono la velocità di rotazione (più veloce ruotano le pale, maggiore sarà il rumore generato), la velocità di crociera, la quantità di spinta richiesta e i dettagli aerodinamici del profilo della pala" ha detto Lorenz Drack, Lead Engineer presso GE Aviation Munich.

"In condizioni di volo reali, il rumore prodotto dall'elica è ulteriormente complicato dall'assetto del velivolo, dalle turbolenze, dalle raffiche di vento e dagli effetti dell'installazione del velivolo. I test di volo ci aiutano a comprendere meglio la complessità del rumore dell'elica installata, che a sua volta migliora i nostri modelli di analisi."

La fonte di rumore primaria a bordo di aerei con motori turboprop è l’elica, il rumore dell'elica è costituito da una componente tonale, di gran lunga la più intensa per l'orecchio umano, e da una a banda larga, che ha natura casuale

FUSIONProp è parte di un impegno più ampio del team di GE Aviation Munich nell’ambito di programmi di ricerca e sviluppo europei, volti alla sostenibilità dei velivoli a elica di nuova generazione. Negli ultimi anni infatti, il team di Monaco di Baviera è stato coinvolto in diversi programmi finanziati dall'UE, quali Clean Sky 2, finalizzato a ridurre l'impatto ambientale dei motori turboelica, con particolare attenzione allo sviluppo della tecnologia delle eliche a bassa rumorosità e in stretta collaborazione con i colleghi di Dowty Propellers.

Nell'estate dello scorso anno sono stati effettuati due test di volo nell'ambito di FusionProp. Questo tipo di test richiede una preparazione e un coordinamento meticolosi tra tutte le squadre coinvolte ed è subordinato anche a condizioni meteorologiche favorevoli alle misurazioni acustiche. "Il livello di collaborazione tra i team GE e DLR prima, durante e dopo i due test è stato e rimane eccezionale e la quantità di dati raccolti ne è la dimostrazione" afferma Giacché, lodando la conoscenza e l'esperienza unica di DLR come una risorsa preziosa in una campagna di test così intensa con elevati livelli di innovazione e complessità.

Entrambi i test hanno rappresentato una gamma completa di condizioni di volo tipiche, tra cui il decollo, la salita, la crociera e gli avvicinamenti per l'atterraggio. Oltre alla strumentazione a bordo e all'interno dei due velivoli, oltre 200 microfoni sono stati installati a terra all'aeroporto di Magdeburg-Cochstedt - nello stato tedesco della Sassonia-Anhalt - dove sono stati effettuati tutti i test di sorvolo.

The Dornier 228 research aircraft by DLR during the flight tests.

Le misurazioni del rumore a terra sono state eseguite con l'obiettivo di migliorare i metodi di previsione del rumore a livello delle comunità e di consentire la localizzazione delle sorgenti di rumore utilizzando la vasta schiera di microfoni DLR. Sono stati esaminati più di 50 punti di prova in numerosi voli effettuati con sorvoli sopra i microfoni, a diverse altezze a seconda delle condizioni di volo.

Per la prima volta sono state eseguite misurazioni del rumore di sorvolo sincrono con una schiera di speciali microfoni montata sulla fusoliera del velivolo da ricerca Do-228 della DLR, e due schiere di microfoni a terra. La schiera posta sulla fusoliera e le schiere a terra sono state sviluppate da DLR con l'obiettivo di localizzare le sorgenti di rumore. “Per la prima volta siamo in grado di correlare il rumore che arriva a terra alle sorgenti di rumore sul velivolo", afferma Carsten Spehr dell'Istituto di Aerodinamica e Tecnologia dei Fluidi del DLR di Göttingen.

La capacità di prevedere con precisione la rumorosità è importante anche per le future piattaforme turboelica di prossima generazione.  “Considerando che l'industria si avvia a passo spedito verso l'introduzione dell’ibrido e di tutte le soluzioni a propulsione elettrica, l'attenzione sull'elica come principale fonte di rumore aumenterà. Per diversi anni lo sviluppo di nuove tecnologie per garantire che una particolare applicazione generi il minor rumore possibile è stato al centro della ricerca condotta da Dowty Propellers", afferma Jimmy Barnard, Responsabile strategie di prodotto e nuove tecnologie di Dowty Propellers. 

A close view of the Do-228 research aircraft fuselage.

"Per la prima volta siamo in grado di correlare il rumore che arriva a terra alle sorgenti di rumore sul velivolo, sono state eseguite misurazioni del rumore di sorvolo sincrono con speciali microfoni installati sulla fusoliera"

"Il programma FusionProp è considerato il culmine di una serie di progetti in cui tecnologie e apparecchi sono sottoposti a test di valutazione in volo per fornire una piattaforma per la convalida di metodi avanzati di previsione del rumore per le eliche, garantendo che Dowty, in collaborazione con GE Aviation Munich, mantenga la sua posizione di leader mondiale nella fornitura di eliche per tutte le applicazioni relative ai turboprop" ha aggiunto Barnard.

Attualmente, Giacché e i team stanno lavorando sulla grande quantità di dati acquisiti durante i test: “Ora stiamo valutando i dati in dettaglio per convalidare la comprensione fisica dell'acustica della turboelica in condizioni di volo realistiche e i risultati preliminari ottenuti finora si stanno rivelando incredibilmente preziosi per migliorare le nostre capacità predittive e aprire la strada all'innovazione tecnologica per futuri velivoli ad alta efficienza e più silenziosi.”

_{Dornier 228 photos in this page are courtesy of DLR - German Centre for Aerospace.}