Attraverso il progetto Hi-Rate Composite Aircraft Manufacturing (HiCAM), la NASA chiama i partner accademici, del governo e dell’industria a costruire rapidamente la prossima generazione di aeromobili con compositi sostenibili. Le tecnologie verdi allo studio dei ricercatori di HiCAM, nell’ambito della Sustainable Flight National Partnership (SFNP), si concentrano su:
- compositi in plastica
- grafite
- ceramica.
Queste miscele, rispetto alle componenti metalliche, riducono il peso dei velivoli e ne velocizzando la produzione, diminuendo i consumi di carburante. Per questa sfida, gli ingegneri studiano come produrre le componenti di grandi dimensioni (come ali e fusoliere) di aeromobili da materiali compositi, a una velocità paragonabile o addirittura maggiore a quella dei materiali metallici tradizionali. Così si potrà ridurre significativamente il loro costo, rendendo i compositi alternativi diffusi e competitivi a livello internazionale.
Compositi polimerici al posto dei metalli
Le componenti più sostenibili dei velivoli possono derivare da miscele resistenti di materiali come plastiche, grafite e ceramiche: compositi che, rispetto alle parti in metallo finora impiegate, possono ridurre significativamente il peso di un aereo, rendendolo più efficiente nei consumi di carburante. Anche grazie a design aerodinamici innovativi.
I compositi polimerici, infatti, sono formati da strati molto sottili di materiali rinforzati con fibre: quelle di grafite, per esempio, sono dieci volte più leggere e piccole di un capello umano. Impilati e induriti, gli strati dallo spessore di un foglio di carta formano una struttura rigida. Anche più resistente dei metalli.
Rick Young, project manager di HiCAM del NASA Langley Research Center
“Una grande analogia con il modo in cui funzionano questi compositi è il compensato, con molti strati di legno e la grana di ogni strato che scorre in una direzione diversa. Posizionare gli strati in direzioni diverse evita che ogni strato di legno si spezzi lungo la venatura, rendendolo più forte. Questi strati sono poi impilati e incollati, creando compensato.”
Flotta aerea da sostituire e raddoppiare
Si stima che, nel corso dei prossimi 20 anni, l’aviazione commerciale mondiale avrà bisogno di circa 40mila nuovi aeromobili in sostituzione ai vecchi aerei di linea e per soddisfare la domanda in aumento di viaggi. La gran parte dell’attuale flotta globale dovrà quindi essere rimpiazzata e anche raddoppiata.
I modelli di aerei più richiesti sul mercato sono a fusoliera stretta, e sono oggi realizzati con strutture metalliche, a un ritmo di circa 60 velivoli al mese. Gli aeromobili che già utilizzano dei compositi alternativi, come l’Airbus A220 o il Boeing 787 Dreamliner, sono invece prodotti a un ritmo di circa 14 velivoli al mese. L’obiettivo di HiCAM è accelerare questo processo, per arrivare a costruire 80 velivoli al mese con compositi sostenibili.
La lunga lavorazione dei termoindurenti
La velocità di produzione delle componenti alternative è stata finora limitata dal tempo che occorre per fabbricarle, assemblarle, controllarne la qualità. Poiché oggi la maggior parte di questi compositi sono realizzati con materiali termoindurenti, il procedimento richiede diverse ore di lavorazione e molte ispezioni.
Innanzitutto i compositi grezzi vengono posizionati strato per strato in uno stampo. Poi il contenuto viene solidificato, facendolo indurire con una reazione chimica irreversibile a elevato calore e alta pressione, in un grande forno chiamato autoclave.
Le alternative per velocizzare il processo
La ricerca di HiCAM si concentra sui materiali compositi che polimerizzano più velocemente, anche attraverso componenti aggiuntivi che accelerino il processo o che evitino a monte l’impiego di autoclavi. Si valuta per esempio l’uso di materiali termoplastici, che non richiedono le otto ore di cottura dei termoindurenti. Sono compositi già ampiamente utilizzati per gli interni degli aerei, ma mai per costruire grandi parti strutturali come le ali o la fusoliera.
Un’altra opzione per abbassare a pochi minuti il tempo di polimerizzazione sono le nuove resine. Si studia inoltre anche a ridurre i tempi di assemblaggio, unendo parti dei composi prima della polimerizzazione e non nel fissaggio finale. E si sperimentano controlli automatizzati di qualità.
Aerei da trasporto e mobilità urbana
Rick Young, project manager di HiCAM del NASA Langley Research Center
“La tecnologia che stiamo perseguendo è destinata ai nuovi velivoli da trasporto che entreranno in servizio dal 2023. L’obiettivo di HiCAM è dimostrare che questa velocità di costruzione può essere raggiunta per i compositi già entro il 2026. Una tecnologia poi da trasferire all’industria aeronautica, in modo da lanciare un nuovo programma di produzione di aeromobili”.
I partner della Nasa in HiCAM includono:
- produttori di aeromobili
- sviluppatori di apparecchiature e software
- fornitori di materiali.
Alla rete collabora anche l’Advanced Composites Consortium. Oltre alla flotta globale di aerei da trasporto, in prospettiva si potranno usare i compositi alternativi anche per aeromobili più piccoli da destinare alla mobilità aerea urbana.
