Applicazione delle Leghe a Memoria di Forma (S.M.A.) per il Morphing in Campo Aeronautico

Il 17 dicembre 1903, a Kitty Hawk (North Carolina) il primo velivolo a motore più pesante dell’aria, il Wright Flyer, prendeva il volo. Per garantire un minimo di manovrabilità, esso aveva delle ali che, controllate per mezzo di tiranti, potevano essere deformate (mediante torsione): quel metodo di controllo può considerarsi a tutti gli effetti un’ala adattiva, a forma variabile (morphing wing).
Fin dal primo volo dei fratelli Wright, i progettisti di aerei si sono avviati nella ricerca di modi di migliorare sia l’efficienza sia le prestazioni degli aerei. Tipicamente, le ali di un aereo sono progettate così da essere ottimizzate per una specifica condizione di volo, ma soffrono di minore efficienza in tutte le altre. Queste penalizzazioni possono essere ridotte attraverso l’opportuna deflessione di superfici di controllo convenzionali (incernierate) presenti sul bordo d’attacco e/o sul bordo d’uscita dell’ala. Queste superfici di controllo alterano il campo di moto attorno all’ala, modificando di fatto la curvatura della stessa in certe regioni, conducendo così ad una variazione delle forze aerodinamiche e dei momenti agenti sull’intera ala.
Fin dal 1980, molti ricercatori hanno investigato l’uso di sistemi di attuazione e strutture a controllo di forma in materiali adattivi (in genere ci si riferisce a tali soluzioni con il nome di tecnologie SMART) per migliorare le prestazioni e l’efficienza di volo, al fine di poter modificare la forma dell’ala in funzione delle specifiche condizioni di volo.
Una struttura SMART coinvolge la presenza di attuatori e sensori distribuiti, e uno o più microprocessori, il tutto al fine di applicare deformazioni e/o spostamenti localizzati, per alterare il comportamento della struttura stessa: rientrano quindi in questo filone numerose applicazioni, dal controllo attivo delle vibrazioni e del rumore alla risoluzione di problematiche di stabilità aeroelastica, dal controllo di forma alla distribuzione delle tensioni; i settori interessati sono molteplici, da quello aerospaziale, al civile, al meccanico e anche il settore biomedicale.
Questa attività di ricerca è nata dalla collaborazione del Dipartimento di Progettazione Aeronautica (D.P.A.) dell’università di Napoli “Federico II” con il laboratorio Smart Structures (SMAS) del Centro Italiano Ricerche Aerospaziali (C.I.R.A.).
Scopo dell’attività di tesi è quello di investigare, numericamente e sperimentalmente, la fattibilità di un bump transonico attuato mediante elementi in materiale a memoria di forma (S.M.A.).
La realizzazione di un bump, cioè di una variazione di curvatura locale del dorso alare, si inquadra nella filosofia più generale dell’ala adattiva, soffermandosi sulla possibilità di incrementare le prestazioni degli aeromobili in regime transonico, per mezzo dell’indebolimento delle onde d’urto generantisi in tali condizioni di volo.
Per l’attuazione, si è deciso di implementare nella struttura elementi auto-deformanti in materiale S.M.A.. Questa scelta nasce dall’esigenza di abbandonare i metodi convenzionali di attuazione, basati su motori passo-passo, leveraggi o sistemi idraulici, e verificare la capacità di attuazione di elementi “intelligenti” integrati direttamente nella struttura. Tra i differenti materiali SMART disponibili, oltre agli S.M.A., vi sono i piezoelettrici, i materiali magnetoreologici ed elettroreologici: tuttavia la scelta è ricaduta sulle leghe a memoria di forma per la loro capacità di sviluppare non solo grandi forze, ma anche grandi deformazioni, necessarie per la generazione degli spostamenti richiesti.
Le motivazioni di un simile studio si possono riassumere:
- nella possibilità di incrementare l’efficienza aerodinamica del profilo (così come riportato in molteplici studi in letteratura), mediante una sua variazione di forma in volo, esplorando completamente il potenziale aerodinamico della corrente;
- nella diminuzione in resistenza derivante dalla maggiore efficienza aerodinamica, con conseguente diminuzione dei consumi dell’aeromobile e dei costi di esercizio;
- nell’abbassamento dei costi di manutenzione e nell’alleggerimento strutturale, derivanti dall’utilizzo di materiali auto-deformanti in luogo di tradizionali sistemi di attuazione.
Pertanto, il presente manoscritto è strutturato in modo da presentare innanzitutto una panoramica sui materiali intelligenti attualmente disponibili, con particolare attenzione alle leghe a memoria di forma, compresa la modellistica sviluppata per descriverne il comportamento e alcuni dati sperimentali finora raccolti, nonché le applicazioni già disponibili commercialmente. Quindi si farà il punto sullo stato dell’arte del morphing alare. Poi si entrerà nel merito di codesta trattazione, illustrando la fenomenologia transonica ed il sistema di attuazione oggetto di codesto studio. Infine saranno riportati i risultati ottenuti con la simulazione numerica e le prove sperimentali, con la correlazione dei dati e susseguenti conclusioni.