L’inaugurazione dell’Icing Wind Tunnel, la più grande galleria del vento per la simulazione delle condizioni di accrescimento del ghiaccio sulle superfici portanti dei velivoli, avvenuta il 17 settembre u.s. presso il C.I.R.A., è, senz’altro, l’occasione migliore per tentare di approfondire la conoscenza del Centro di Ricerca di Capua che, per i più, rappresenta una sorta di “oggetto misterioso”.
Il Settore Aerospaziale è, per sua natura, un settore ad elevata tecnologia. La disponibilità di tecnologie avanzate e, ancor di più, la capacità di svilupparle con continuità è considerata in ogni paese il requisito base per la crescita e per un successo duraturo della propria Industria.
E’ per rispondere a questa esigenza che, nel luglio del 1984, fu costituito il C.I.R.A. (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali). La sede e le strutture operative del C.I.R.A. si trovano, appunto, a Capua, alla via Maiorise, e si sviluppano su di un’area di 1.600.000 mq.. Una collinetta artificiale suddivide l’intera area in due zone: nella prima vi si trovano i laboratori di calcolo, gli uffici direzionali e la mensa, mentre nella seconda vi sono gli impianti di prova rappresentati dalle gallerie del vento, l’impianto per prove di crash e i laboratori tecnologici.
La Città di Capua fu scelta per la sua posizione geografica, ritenuta “strategica”, in una regione, quella campana, in cui vi è una forte concentrazione di in-dustrie che operano nel settore aerospaziale quali Alenia, Fiat Avio, Alfa Romeo Avio, Vulcan Air, Piaggio, Magnaghi, Tecnam etc., ben due atenei, "Federico II" e "Seconda Università di Napoli", entrambi con corsi di laurea in ingegneria aerospaziale, l’Accademia Aeronautica e la Scuola Sottufficiali dell’Aeronautica.
Il C.I.R.A. è una società consortile per azioni, oggi a maggioranza pubblica: lo Stato, attraverso l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) ed il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), detiene, infatti, dal 1998, la maggioranza del capitale sociale, al quale partecipano anche la Regione Campania e le principali Aziende aerospaziali italiane.
La partecipazione congiunta pubblica-privata fa sì che gli obiettivi del C.I.R.A. siano coerenti con gli indirizzi strategici nazionali e con le esigenze delle imprese, contribuendo così allo sviluppo economico e sociale del paese.
Allo sviluppo di competenze in diversi settori avanzati quali ad esempio i sistemi di volo, l'aerotermodinamica, le strutture e i materiali, in questa cittadina della scienza si sono affiancate l'ideazione, la progettazione e la realizzazione di impianti di test e qualifica unici al mondo. Il L.I.S.A. (Laboratorio per prove di Impatto su Strutture Aerospaziali), l'IWT (Icing Wind Tunnel) per le prove in condizioni di ghiaccio, e il PWT (Plasma Wind Tunnel) per la simulazione del rientro dei velivoli in atmosfera sono gli esempi più immediati di tali attività. Ripassando il lavoro dell’ultimo anno si deduce facilmente che il C.I.R.A. ha energie, determinazione e vitalità veramente di proporzioni straordinarie.
Il 15 ottobre 2001 ha inaugurato l'impianto PLASMA WIND TUNNEL (PWT).
L'impianto, costato circa 150 miliardi di vecchie lire, nel suo genere e per le sue prestazioni è unico al mondo.
E' designato a simulare le condizioni di funzionamento ed ambientali degli scudi termici dei veicoli spaziali nella fase di rientro in atmosfera e quelle di volo dei futuri aerospazioplani. Questa galleria del vento, ipersonica al "plasma" con riscaldatore ad arco elettrico, è capace di generare flussi di aria a velocità fino a 28.000 km/h e ampi fino ad 1 metro e mezzo di diametro, all’interno di una camera di prova.
Ecco in sintesi il funzionamento dell'impianto: l'aria ad alta pressione viene i-niettata nell'arco elettrico ad alta potenza e riscaldata fino ad una temperatura di 10.000 gradi centigradi. Il flusso d'aria calda denominato "PLASMA", si espande a velocità ipersonica attraverso un ugello conico ed investe il modello in camera di prova.
Il flusso viene raccolto e decelerato in un diffusore supersonico e quindi raffreddato.
L'aspirazione del flusso è ottenuta mediante un sistema di eiettori di vapori allo scopo di creare le condizioni di vuoto tipiche delle quote di rientro dei veicoli spaziali.
Il riscaldatore ad arco elettrico del PWT ha una potenza di 70 Mega Watt, in corrente continua. A questi 70 MW vanno aggiunti gli altri 70 che servono per attivare tutti gli altri mezzi connessi all'impianto e si raggiunge così una potenza complessiva di 140 MW sufficiente ad alimentare una città di oltre 100.000 abitanti.
Nello stesso 15 ottobre, e fino al 18, sempre presso il C.I.R.A., fu tenuto il "IV Simposio Europeo sull'Aerotermodinamica per Veicoli Spaziali", a cui parteciparono circa 180 ricercatori provenienti da tutto il mondo. E la città di Capua, per quattro giorni, divenne la capitale mondiale di una disciplina senza la quale l'avventura spaziale dell'uomo non sarebbe mai potuta nascere.
Il miglioramento della sicurezza è uno degli obiettivi primari sui quali sono impegnati i ricercatori del C.I.R.A.: l'8 aprile 2002, infatti, il Centro ha inaugurato il Laboratorio Impatto Strutture Aerospaziali (LISA).
Con l'avvio delle attività di questo nuovo laboratorio il C.I.R.A. si candida ad un'altra importante leadership nel mondo della ricerca aerospaziale: quella della sicurezza passiva delle strutture aerospaziali. Il problema della sicurezza come fattore determinante per la salvezza di vite umane in caso di impatto è diventato di pressante attualità. Sono coinvolti non solo le ditte costruttrici e le linee aeree ma, anche e soprattutto, gli Enti certificatori, cui spetta l'onere di certificare la sicurezza.
Il C.I.R.A., con l'impianto di CRASH, che è all'interno di LISA, potrà fornire un contributo determinante all'evoluzione di quella che ormai, giustamente, viene considerata una vera e propria disciplina scientifica.
L'utilizzo di questa struttura consentirà lo sviluppo di nuovi criteri di progettazione delle strutture portanti aeronautiche, quelle strutture che, in caso di inci-dente dovuto ad impatto, debbono assicurare maggiori possibilità di sopravvivenza ai passeggeri del velivolo.
E veniamo alla più grande ed avanzata galleria del vento, nella quale sarà possibile simulare le condizioni meteorologiche che generano le formazioni di ghiaccio sulle superfici portanti degli aeromobili, che si chiama ICING WIND TUNNEL. Questo nuovo impianto realizzato dal C.I.R.A. rappresenta una vera e propria svolta nella capacità di simulazione a terra e contribuirà in maniera significativa al miglioramento della sicurezza del volo in condizioni di ghiaccio. È stata inaugurata, appunto, il 17 settembre alla presenza di autorità e scienziati.
All’inaugurazione sono intervenuti, tra gli altri, il Vescovo di Capua, Mons. Bru-no SCHETTINO, il Vice Ministro dell'Istruzione, Università e Ricerca, On. Guido POSSA, il Sindaco di Capua, Dott. Alessandro Pasca di Magliano, l’Ing. Ludovico Vecchione, Responsabile dell'Icing Wind Tunnel, il Prof. Luigi NICOLAIS, Assessore all'Università, Ricerca Scientifica e Innovazione Tecnologica della Regione Campania, l’Ing. Remo PERTICA, Presidente AIAD (Associazione Industrie per l'Aerospazio, i Sistemi e la Difesa), il Dr. Jaiwon SHIN, Deputy Director of Ae-ronautics at NASA Glenn Research Center, il Dr. Eugene G. HILL, Chief Scienti-fic and Technical Advisor for Environmental Icing, FAA (Federai Aviation Administration), il Dr. Hans KAROW, Senior Officiai for Research Infrastructures dell'European Science Foundation.
Cerchiamo di comprendere i motivi che rendono di grande interesse questo nuovo impianto.
Nello scorso decennio, l'accrescimento del ghiaccio sulle superfici portanti dei velivoli è stata la causa di una serie di gravi incidenti che hanno coinvolto velivoli, sia di tipo commerciale che di tipo militare, provocando perdite di vite umane.
Nonostante i progressi raggiunti nelle metodologie di progettazione e di collaudo, problemi connessi alla formazione di ghiaccio continuano a verificarsi durante le normali operazioni di volo.
La comunità aerospaziale ha oramai ampiamente riconosciuto la necessità di strumenti di simulazione più accurati per rendere il volo più sicuro in condizioni di ghiaccio.
Per soddisfare tale esigenza al C.I.R.A. è stato realizzato l'Icing Wind Tunnel (IWT). Esso consentirà ai ricercatori, all'industria ed agli enti certificanti di riprodurre a terra, in modo accurato e ripetibile, condizioni di ghiacciamento molto simili a quelle che effettivamente si incontrano in volo.
L'IWT del C.I.R.A. possiede alcune caratteristiche che lo rendono superiore agli altri impianti della stessa classe esistenti nel mondo. Esso rappresenta l'impianto più innovativo, il tunnel a ghiaccio più grande, il tunnel a ghiaccio con velocità del flusso più elevata, l'unico impianto in grado di simulare in maniera combinata altitudine, umidità e temperatura, l'impianto che dispone del maggior numero di configurazioni di camera di prova (4), l'impianto che possiede il maggior numero di ugelli spruzzatori (500) e di barre (20) e che consente il più ampio inviluppo operativo per la simulazione del flusso attraverso le prese d'aria motore (portate d'aria da 1,5 a 55 Kg/s).
II modo in cui funziona un tunnel a ghiaccio è molto simile a quello di una galleria del vento convenzionale, dalla quale si differenzia per la presenza di un sistema per la generazione delle nuvole e per la capacità di raggiungere basse temperature simulando le pressioni corrispondenti alle tipiche quote di volo. A valle della ventola uno scambiatore di calore a doppia fila, tramite un fluido refrigerante ecocompatibile (R-507), raffredda il flusso d'aria fino alla temperatura desiderata, che può arrivare fino a 40 gradi sotto zero. Nella camera di ristagno, situata a monte della camera di prova, si trova il sistema di spruzzatori che genera una nube composta da goccioline d'acqua sovra raffreddate che consentono la simulazione di diverse condizioni di accrescimento del ghiaccio. Altri sistemi particolarmente avanzati, quali il sistema di depressurizzazione, per la simulazione dell'altitudine fino ad una quota di 7000 metri, ed il sistema di iniezione di vapore, per mantenere costante il livello di umidità durante la prova (fino al 70% RH), consentono di simulare al meglio le naturali condizioni di formazione del ghiaccio.
L'impianto è equipaggiato con quattro differenti camere di prova, capaci di soddisfare i più diversi requisiti in termini di velocità, dimensioni dei modelli, estensione ed uniformità delle nubi. Ciascuna delle camere di prova è dotata di piattaforme girevoli sincronizzate. Tre di esse possiedono pareti fessurate con porosità del 7%, mentre una è avena libera. I bordi delle fessure vengono riscaldati per impedirne l'ostruzione a causa del ghiaccio. Le pareti fessurate consentono un accesso ottico sull'80% della camera di prova.
La camera di prova Addizionale (LTS) e quella a Vena Libero (OJTS) hanno dimensioni tali da consentire l'installazione di componenti in scala reale quali: sezioni alari, piani di coda, gondole motore e radomi. L'installazione del modello può essere eseguita in un'area separata situata all'esterno della galleria.
Un sistema modulare (Spray Bar System) fornito di 500 ugelli atomizzatori, realizzati secondo specifiche proprietarie C.I.R.A., provvede a generare la nube artificiale a monte della camera di prova.
Gli ugelli sono disposti sul bordo di uscita di venti barre profilate aerodinamicamente realizzate in acciaio inox.
Ciascun ugello viene attivato tramite una valvola a solenoide dedicata.
L'estrema modularità del sistema consente di realizzare le condizioni di prova più assolute variando opportunamente il numero di ugelli operativi e la loro distanza relativa.
In questo modo è possibile, inoltre, ottenere una nuvola estremamente uniforme in termini di contenuto d'acqua. Condizioni di erogazione stabili sono ga-rantite dalla possibilità di controllare le pressioni dell'aria e dell'acqua in ogni singola barra.
Grazie a queste caratteristiche innovative, è possibile passare da una simulazione di condizioni di nuvola "Max continuous" a condizioni di "Max intermit-tent" in soli 10 secondi.
Gli ugelli installati sono in grado di generare gocce d'acqua sovra raffreddate da 5 ad almeno 300 micron.
L'IWT del C.I.R.A. è in grado di generare nuvole in conformità con quanto pre-scritto dalle norme FAR e JAR attualmente in vigore. In vista della futura revi-sione delle norme sulla sicurezza del volo, è stato però progettato un sistema di spruzzatori capace di generare gocce d'acqua sovra raffreddate anche di di-mensioni maggiori, fino ad almeno 300 micron.
L'IWT consente l'esecuzione di prove per la qualificazione e per la verifica della conformità ai requisiti dettati dalle norme di una vasta gamma di sistemi anti-ice e de-ice, tra cui quelli a pressione, a flusso di aria calda e a resistenza ter-mica, su modelli 2D, 2.5D e 3D.
Grazie ad un sistema dedicato di simulazione del flusso del motore, è possibile effettuare prove con prese d'aria in condizioni di ghiaccio in un inviluppo operativo molto ampio (fino a 55 kg/s di portata aspirata). L'IWT del C.I.R.A. consente inoltre di studiare i fenomeni connessi ali, accrescimento del ghiaccio, tra cui il degrado delle prestazioni aerodinamiche del velivolo e del funzionamento dei propulsori.
L'IWT del C.I.R.A. può essere utilizzato anche come galleria aerodinamica sub-sonica. Sfruttando la possibilità di raffreddare l'impianto a bassa temperatura fino a -40°C e di pressurizzarlo fino a 1.45 bar, si possono svolgere, infatti, prove aerodinamiche ad un numero di Reynolds confrontabile con quello ottenuto in gallerie di più grandi dimensioni.
Come galleria del vento convenzionale, l'IWT del CIBA è equipaggiato con una bilancia esterna (EBS) di tipo piramidale, che presenta una elevata accuratezza (0.05% FS) nelle misure di forze e momenti aerodinamici. E' possibile, inoltre, la movimentazione del modello in modo continuo ed intermittente (posizioni fisse), con un'accuratezza nel posizionamento pari a 0.005°. L'EBS può operare a bassa temperatura (- 32°) per misure ad elevati numeri di Reynolds. Per modelli fino a 300 kg di peso, è disponibile un supporto modelli del tipo ad arco con attacco posteriore, che consente una variazione dell'angolo di incidenza da -45° a +45°. Questo range può essere esteso con un adattatore dedicato. A valle delle camere di prova può essere installato un sistema "posizionatore di sonde", per misure del flusso a monte e a valle del modello. II sistema può supportare diversi tipi di sonde e strumentazioni fino ad un peso massimo di 30 kg.
Il C.I.R.A., inoltre, confermandosi punto di riferimento della ricerca ed innovazione del mondo aerospaziale italiano ha avviato una fattiva collaborazione con le scuole ed il Mondo Accademico Aerospaziale. Le Università collaboreranno con il C.I.R.A. per lo sviluppo dei programmi relativi alla realizzazione dei laboratori volanti UAV e USV.
Il 21 novembre 2001, infatti, si svolse a Capua un incontro tra il Presidente del C.I.R.A., prof. Sergio Vetrella, ed i rappresentanti dei Politecnici di Torino, Milano e delle Università di Pisa, Roma, Napoli, Caserta e Palermo per l'attivazione delle collaborazioni tra il C.I.R.A. ed il mondo accademico aerospaziale.
Nel corso dell'incontro furono illustrati, da parte dei responsabili C.I.R.A., i due programmi innovativi, UAV (Unmanned Aerial Vehicles) e USV (Unmanned Space Vehicles), fortemente voluti dal prof. Vetrella ed inseriti nella revisione del Programma Nazionale di Ricerca Aerospaziale.
I due programmi, finalizzati alla realizzazione di due laboratori volanti senza pilota a bordo, il primo aeronautico ed il secondo spaziale, si aggiungeranno ai laboratori di terra già realizzati dal C.I.R.A., integrandosi con essi.
Le collaborazioni individuate sono state attivate nel mese di gennaio 2002 e prevedono anche la possibilità di permanenza in C.I.R.A. dei ricercatori universitari.