Leonardo Lecce1, Giulio Trevisan2, Francesco Galliani2, Massimo Di Pietro2
1 – Novotech
2 – Comec Innovative Srl
Oggigiorno la cosiddetta mobilità alternativa è uno dei temi principali sia nel campo automotive che nel campo dell’aviazione civile, ma a causa dei vincoli urbanistici presenti sul territorio, oltre alle ormai note iniziative quali car sharing, ride sharing, e-mobility, il settore dei trasporti si sta orientando verso forme di mobilità alternative, in particolare sta guardando a nuove soluzioni basate sul trasporto aereo in ambito urbano.
In quest’ottica, il progetto SEAGULL e-VTOL si propone come pioniere, a livello nazionale, per quanto riguarda lo sviluppo di sistemi di trasporto di nuova generazione, che consentano di percorrere distanze relativamente brevi, comprese in un range indicativo non inferiore a 100-250 km, in un tempo medio target che sia inferiore ad almeno 1/3 rispetto a quello che sarebbe richiesto impiegando i mezzi di trasporto attualmente in uso e che allo stesso tempo sia sostenibile dal punto di vista ambientale (emissioni di CO2 ed NOx; inquinamento acustico e sonoro), ma anche accessibile dal punto di vista economico per gli utenti.
Descrizione del progetto
Il progetto SEAGULL electrical-Vertical Take-Off and Landing (e-VTOL) mira a creare una nuova generazione di velivoli per trasporto privato e pubblico, con nuovi modelli di business che consentiranno a viaggiatori e merci di “volare” sopra le aree urbane/extraurbane, attraverso l’integrazione di tecnologie digitali trasformative volte alla riduzione dell’inquinamento atmosferico e acustico locale.
L’effetto sarà dirompente rispetto ai velivoli esistenti in termini di riduzione di carburante e CO2, grazie all’introduzione di un sistema propulsivo completamente elettrico (emissioni zero); ma anche grazie all’introduzione di una piattaforma di service digitale adattiva e a basso costo che comunica in tempo reale prestazioni e stato del velivolo per ottimizzare le missioni (ridurre i consumi) e le operazioni di manutenzione preventiva.
La riduzione dei consumi sarà data anche dalla diminuzione dei pesi in quanto la fusoliera sarà completamente realizzata in fibra di carbonio con la tecnica AFP (Automatic Fiber Placemente). Ciò si tradurrà in una maggiore resilienza agli shock esterni dell’ecosistema dell’aviazione (utenti finali, comunità scientifica, attori del settore), creando vantaggi scientifici, economici, tecnologici, ambientali e sociali.
Il programma SEAGULL e-VTOL fornirà percorsi di volo privi di emissioni rispetto a treni ad alta velocità e auto private o pubbliche, infatti, secondo i risultati di un primo studio di fattibilità, saranno perseguite le seguenti sfide:
- capienza 4 posti
- fattore di carico medio del 70%
- peso lordo del veicolo di 1.500 kg
- ≈ 200 kW di potenza per il decollo a breve termine con 2 minuti di piena potenza (hovering) al decollo e all’atterraggio, con ≈ 120 kW di potenza richiesta a 230Km/h per la fase di crociera
- utilizzo annuo di 1500-2000 ore
- numero di motori per l’hovering 2 o 4
- tempo di volo totale: 30-70 min
- target costo ricorrente per passeggero ≈ 50€-100€.
Una tra le sfide che dal punto di vista tecnologico risultano essere tra le più significative riguarda il modulo e-VTOL che sarà sviluppato nell’ambito del progetto, in quanto esso garantirà il controllo automatico di assetto nelle fasi di volo verticale, attraverso la navigazione assistita mediante autopilota. Nella fase di crociera invece, il controllo di volo è affidato esclusivamente al pilota.
L’implementazione di tali tecnologie sarà attuata per mezzo di un massiccio utilizzo dell’approccio “Fly-by-Wire”. Il velivolo sarà dotato di motori elettrici per il decollo e l’atterraggio verticale, con alimentazione elettrica in DC mediante opportuno sistema di alimentazione idrogeno/fuel cells e batteria capaci di garantire almeno 3-10 minuti di autonomia in hovering. L’integrazione e l’interfaccia dei dispositivi con il sistema Flight Control System sarà operato per mezzo di convertitori DC/AC.
Parallelamente allo sviluppo della piattaforma velivolo, nell’ambito del progetto, data l’esigenza di automatizzare i processi di fabbricazione di aerostrutture (maggiore ripetibilità, incremento di produttività, riduzione costi di produzione) sarà progettata, realizzata e validata una nuova tecnologia di laminazione automatica “low cost oriented” basata sul principio produttivo dell’Automatic Fiber Placement che prenderà il nome di Automated Towpreg Placement (ATP).
Le attuali macchine di laminazione AFP non sono in grado di processare materiale in formato towpreg, per cui si andrà a creare un prodotto in grado di posizionare in maniera automatica file continue parallele di singoli tow, usando una testa azionata da un sistema software che avrà modalità processuali di posizionamento, fissaggio e taglio innovativi.
Il manufatto sarà montato su di un posizionatore, sincronizzato con il braccio antropomorfo su cui è montata la testa di laminazione. La testa sarà progettata in modo tale da poter gestire la disposizione del materiale e il suo posizionamento in modo da poter effettuare la laminazione del manufatto.
Tale tecnologia consentirà di modellare oggetti di geometria complessa e, grazie ad un opportuno strumento software, sarà possibile definire la corretta orientazione delle fibre in grado di garantire la resistenza del componente ai carichi a cui è soggetto.
Inoltre, sulla testa di deposizione sarà posizionato un rullo di compattazione che esercitando un’azione di compressione sui tow permetterà che questi aderiscano alla superficie di lavoro andando a rimuovere eventuali vuoti intra layer. Il materiale sarà deposto senza tensioni o pieghe con una precisa pressione applicata al rullo di compattazione.
La nuova tecnologia (ATP) che verrà sviluppata nell’ambito del progetto permetterà un uso su larga scala dei compositi e, allo stesso tempo, introdurrà una novità di produzione che permetterà soluzioni costruttive più efficaci mediante l’uso del towpreg.
La macchina che verrà sviluppata permetterà alle fibre in composito di essere posizionate in modo da sfruttare la direzionalità del materiale nella maniera più efficiente. La tecnologia realizzata costituirà un prototipo funzionale ai fini della validazione di processo e di prodotto, risulterà validata dal punto di vista funzionale in ciascuno dei suoi gruppi e costituirà la base per un ulteriore sviluppo, in ottica del futuro inserimento sul mercato.
Nell’ambito del progetto verranno appunto affrontate tutte le problematiche tecnologiche al fine di effettuare uno sviluppo di prodotto e di processo validato per l’obiettivo da conseguire e dai risultati ottenuti si porranno le basi per il successivo sviluppo della tecnologia che sarà pronta per rispondere alle esigenze di mercato.
Le problematiche tecnico-scientifiche da affrontare risultano molteplici:
- evitare la rottura del materiale durante la laminazione
- garantire una velocità di deposizione costante
- garantire un controllo di temperatura del materiale per favorire l’adesione tra i towpreg, studio di una testa di deposizione compatta, identificazione dei parametri di processo e loro effetti (velocità di laminazione, pressione in fase di deposizione, temperatura, tensionamento del materiale).
Ognuna di queste problematiche tecnico-scientifiche verrà approfondita e studiata nell’ambito della fase di ricerca, mentre nella fase di sviluppo verrà effettuata l’implementazione delle soluzioni identificate. Questa nuova tecnologia di deposizione permetterà di poter realizzare la fusoliera DEMO per la costruzione del velivolo completo (fig.1).
Fig.1: Mockup del velivolo
La tecnologia che sarà sviluppata nel presente progetto vuole metter insieme i vantaggi delle tecnologie Filament winding (FW), Tape Laying (ATL) o Fiber Placement (AFP), ovvero quelle più diffuse per la realizzazione di aerostrutture di grandi dimensioni (es. ala, fusoliera) e punta a rendere il processo di manufacturing sempre più veloce ed efficiente, in linea con le richieste sempre più stringenti delle industrie aerospaziali, sia in termini di qualità dei componenti che rapidità di manufacturing utilizzando towpreg (soluzione più economica rispetto allo slit tape).
