L'aerodinamica e l'innovativa “arte” della progettazione aeronautica

La decarbonizzazione dell’aviazione si basa su una combinazione di molti passi incrementali, un processo notoriamente fatto di piccoli aggiustamenti successivi, e di vere e proprie dirompenti scoperte tecnologiche.
Per avere successo, entrambi gli approcci devono coesistere all’interno di un ecosistema collaborativo.
In questo spirito, l’Airbus e due importanti istituti di ricerca europei, il DLR in Germania e l’ONERA in Francia, stanno studiando come il calcolo ad alte prestazioni possa migliorare la nostra comprensione del rapporto tra aerodinamica ed efficienza degli aeromobili, e intendono rafforzare la loro collaborazione.

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Nella fluidodinamica computazionale? Matematica applicata, fisica e calcolo ad alte prestazioni

La fluidodinamica computazionale (CFD) combina matematica applicata, fisica e calcolo ad alte prestazioni.
Essa viene utilizzata per capire come l’aria si muove su forme complesse e aiuta gli ingegneri aeronautici a massimizzare la portanza e a minimizzare la resistenza aerodinamica per rendere un aereo il più efficiente possibile in termini di consumo di carburante sia a bassa che ad alta velocità.
La simulazione computerizzata dei flussi aiuta i ricercatori a progettare aeromobili più efficienti e, conseguentemente, a ridurre il consumo di carburante e le emissioni nocive.
“Dico sempre che la CFD è il luogo in cui la scienza incontra l’arte. È una cosa bellissima, poiché si tratta di una specie di galleria del vento computerizzata”, afferma Simon Galpin, responsabile dell’aerodinamica di Airbus.
Egli supervisiona una partnership che esiste da cinque anni fra il Centro Aerospaziale Tedesco (il Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, in sigla DLR) e il Laboratorio Aerospaziale Francese (Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales, in sigla ONERA) per conto di Airbus.

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Esperti a portata di mano in virtù di un partenariato D-F rafforzato e focalizzato sull’efficienza

Il DLR e l’ONERA collaborano con Airbus da decenni.
Storicamente, ogni organizzazione lavorava su codici informatici separati, le fondamenta sulle quali si basa la simulazione di flusso CFD.
Sebbene il codice sviluppato da ciascuna organizzazione fosse efficace di per sé, la comunicazione tra i diversi team di sviluppo era limitata.
Gradualmente è diventato chiaro che il codice richiedeva una reingegnerizzazione collettiva per le piattaforme di calcolo parallelo su scala estrema. E ora si è deciso di implementare questa collaborazione.
La nuova partnership franco-tedesca o germano-francese, che dir si voglia, affronta questa carenza.
“È stato sensato unire i nostri sforzi”, afferma ancora Galpin.
“Stiamo sviluppando un codice CFD di nuova generazione che sia già ‘pronto per l’industria’ per la previsione dei flussi aerodinamici e che sia ugualmente applicabile ad aerei, elicotteri e sistemi spaziali”.
La firma del primo accordo nel 2017 è stata significativa per un settore che richiede tempo, risorse e investimenti sostanziali.
“Da un giorno all’altro la forza lavoro è pressoché raddoppiata!”, ricorda il direttore dei programmi aeronautici di ONERA, Philippe Beaumier.
“Avevamo a disposizione un team di esperti su entrambe le sponde del Reno”.

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Accordo a fine 2022 finalizzato a grandi progetti come ZEROe, EcoPulse e Open Fan Research

I partner hanno rinnovato il loro impegno alla fine del 2022, con l’obiettivo di estendere il codice ai progetti attuali e futuri di Airbus, come ZEROe, EcoPulse e Open Fan Research.
Il codice viene già utilizzato per far maturare casi di prova precedentemente ritenuti irrealizzabili a causa della limitata rappresentazione fisica e della capacità di calcolo.
Presto queste casistiche potrebbero influenzare le scelte relative alla propulsione, all’integrazione dei motori e alla tecnologia delle ali, che determineranno i progetti per una nuova generazione di velivoli a basso consumo di carburante.
“Vogliamo migliorare la prevedibilità delle prestazioni fin dalla fase di progettazione”, afferma Markus Fischer del DLR, membro del Consiglio di Divisione per l’Aeronautica.
“Il nuovo codice può anche aiutare gli specialisti a studiare concetti di progettazione ancora più radicali, come la cosiddetta ‘ala volante’, con un grado di velocità e precisione che non era alla portata dei software precedenti”.

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Sostituti del cherosene più costosi, ragione per cui andrà estratto ogni grammo di energia

“Senza una digitalizzazione priva di limiti che acceleri il ritmo dell’innovazione, non è possibile garantire la separazione tra crescita del traffico aereo ed emissioni”, sostiene ancora Fischer.
Il DLR condivide la visione dell’aviazione a emissioni zero di Airbus e ONERA, che secondo Fischer richiederà “un approccio dirompente”.
“La decarbonizzazione richiede una doppia rivoluzione”, concorda Beaumier, “una tecnologica e una metodologica”.
E ancora: “Per realizzare queste ambizioni, i cicli di sviluppo degli aeromobili devono essere dimezzati. È qui che una simulazione numerica ‘matura’ gioca un ruolo fondamentale”.
Come fa la CFD a dare un contributo netto pari zero? Galpin risponde sottolineando che i sostituti del cherosene saranno probabilmente più costosi.
“È meglio estrarre ogni singolo grammo di energia da ogni chilogrammo di carburante alternativo, utilizzando l’architettura più efficiente del velivolo. L’uso della CFD avanzata ci aiuta a ridurre la resistenza aerodinamica poco a poco”.

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Servirà attirare futuri ingegneri per gli obiettivi di sostenibilità dell’industria aeronautica

Airbus ha accesso ad alcuni dei sistemi di calcolo su scala estrema più performanti al mondo per contribuire allo sviluppo e alla convalida del codice di fluidodinamica computazionale, aumentando la fiducia degli ingegneri nelle loro previsioni.
“È un esercizio stimolante e gratificante”, dice ancora Baumier, “con una capacità di applicazione al mondo reale”.
L’ultima parola spetta a Pascal Larrieu, esperto di simulazione elettronica di Airbus e responsabile dello sviluppo del nuovo solutore di flusso.
“Questo progetto apre le porte a una rete di ricerca diversificata, dinamica nonché di portata europea. Siamo convinti che il nostro lavoro contribuirà ad attrarre i futuri ingegneri aeronautici, che si uniranno a noi per raggiungere insieme l’ambizione delle emissioni zero”.

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