Preliminary Design of Hybrid Aircraft Thermal Management System (Tms) Experimental Test Campaign in Cira Icing Wind Tunnel (IWT)
Questo articolo delinea la progettazione preliminare e i continui aggiornamenti della galleria del vento per il ghiaccio del CIRA, volti a consentire la validazione sperimentale su scala reale dei sistemi di gestione termica di velivoli ibridi con livelli di potenza fino a 0,5 MW in condizioni di volo realistiche nell'ambito del progetto AMBER finanziato dall'UE.
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Il cielo sopra di noi sta diventando un luogo affollato per un nuovo tipo di viaggiatore. Per decenni, l'industria dell'aviazione ha fatto affidamento sulla combustione di carburante per spingere enormi tubi metallici attraverso l'aria, un processo che rilascia anidride carbonica e altri gas nell'atmosfera. Per raggiungere gli obiettivi climatici globali, gli ingegneri stanno progettando velivoli che funzionano a elettricità o a un mix di elettricità e carburante. Questi aerei ibridi ed elettrici promettono un futuro più pulito, ma portano con sé un problema nascosto che non ha nulla a che vedere con l'aria in cui volano. Le batterie, i motori elettrici e le celle a combustibile che alimentano queste nuove macchine generano una quantità immensa di calore. Proprio come un laptop rallenta quando si surriscalda, questi componenti potenti possono guastarsi o perdere efficienza se non riescono a smaltire quel calore rapidamente. La sfida è costruire un sistema di raffreddamento che funzioni perfettamente sia quando l'aereo è fermo sulla pista nel calore estivo, sia quando sale attraverso l'aria gelida ad alta quota. Se il sistema è troppo piccolo, il motore si surriscalda; se è troppo grande, il peso extra e la resistenza aerodinamica rovinano l'autonomia del velivolo.
I ricercatori del Centro di Ricerca Aerospaziale Italiano, noto come CIRA, stanno affrontando questo enigma costruendo un nuovo tipo di laboratorio di prova. Stanno aggiornando la loro Galleria del Vento per il Ghiaccio (Icing Wind Tunnel), una massiccia struttura originariamente progettata per studiare come il ghiaccio si formi sulle ali degli aerei, per testare invece i sistemi di gestione termica di questi futuri aerei elettrici. Il team, guidato da Marco Invigorito e dai suoi colleghi, ha compreso che i soli modelli informatici non erano sufficienti. Sebbene le simulazioni possano prevedere come un sistema di raffreddamento potrebbe comportarsi, esse spesso trascurano la complessa realtà di come l'aria fluisce attorno a un vero aereo. Per risolvere il problema, hanno prima eseguito simulazioni informatiche dettagliate di uno scambiatore di calore — un dispositivo che sposta il calore da un liquido caldo all'aria fredda esterna. Hanno modellato la traiettoria di volo di un velivolo regionale, tracciando le prestazioni del sistema dal suolo fino a un'altitudine di 5.500 metri. I risultati di queste simulazioni hanno rivelato un difetto sorprendente e pericoloso nel modo in cui questi sistemi sono attualmente progettati.
Quando i ricercatori hanno esaminato i dati, hanno scoperto che un sistema di raffreddamento dimensionato per funzionare in sicurezza al suolo sarebbe pericolosamente sovradimensionato una volta decollato l'aereo. Man mano che l'aeromobile saliva, l'aria esterna diventava più fredda e rarefatta. Nella loro simulazione, un sistema progettato per gestire 300 kilowatt di calore al suolo si è ritrovato improvvisamente capace di espellere più di 900 kilowatt di calore ad alta quota. Questo enorme aumento della potenza di raffreddamento, pur sembrando un aspetto positivo, ha creato un nuovo problema. Le celle a combustibile all'interno dell'aereo operano al meglio entro un intervallo di temperatura molto stretto. Se il sistema di raffreddamento diventa troppo efficiente ad alta quota, potrebbe abbassare la temperatura del liquido della cella a combustibile fino a 50,8 gradi Celsius, ben al di sotto dell'intervallo operativo sicuro. Questa "ipotermia" per la cella a combustibile potrebbe causarne la perdita di efficienza o il completo arresto del funzionamento. Per evitare ciò, gli ingegneri dovrebbero aggiungere valvole e controlli complessi per modulare il raffreddamento, il che aumenta il peso e crea ulteriori punti di guasto. In alternativa, se avessero dimensionato lo scambiatore di calore solo per le condizioni di alta quota, esso sarebbe troppo grande e pesante per il decollo, creando una resistenza aerodinamica inutile e sprecando carburante.
Per capire esattamente come risolvere la questione, il team sta trasformando la propria galleria del vento in un campo di prova per sistemi di raffreddamento a grandezza reale. La struttura, in grado di simulare velocità di volo fino a Mach 0.7 e temperature fino a meno 40 gradi Celsius, viene dotata di un nuovo sistema di generazione termica. Questo sistema può pompare un liquido riscaldato attraverso un elemento di prova a portate fino a 1.200 litri al minuto, imitando la produzione di calore di un vero motore elettrico o di una batteria. A differenza dei banchi di prova standard che utilizzano ventole per soffiare aria su un radiatore, questa galleria del vento utilizza la pressione naturale dell'aria in movimento per spingere l'aria attraverso il sistema di raffreddamento, proprio come fa un vero aereo. Ciò consente ai ricercatori di misurare non solo l'efficacia del raffreddamento, ma anche la resistenza aerodinamica che genera e come il ghiaccio possa formarsi sulle sue superfici durante il volo.
La galleria del vento aggiornata permetterà al team di eseguire test che corrispondano ai profili di volo specifici degli aerei regionali, passando dalle condizioni al suolo alle salite ad alta quota monitorando ogni grado di temperatura e ogni calo di pressione. Programmano di testare come il sistema si comporta quando l'aereo vola in linea retta, ma anche quando sta virando o scivolando lateralmente, condizioni che i modelli informatici faticano a prevedere con precisione. Combinando questi test fisici con le loro precedenti simulazioni, i ricercatori mirano a creare un metodo affidabile per dimensionare questi sistemi di raffreddamento. L'obiettivo è trovare un design che sia abbastanza leggero per il decollo, abbastanza potente per il volo ad alta quota e abbastanza semplice da essere sicuro. Questo lavoro fa parte del più ampio progetto AMBER, finanziato dall'Unione Europea, che mira a convalidare le tecnologie necessarie per un futuro dell'aviazione a emissioni zero. Le scoperte aiuteranno a garantire che la prossima generazione di velivoli possa trasportare i passeggeri in modo sicuro ed efficiente, senza il rischio di surriscaldarsi o congelare in cielo.
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