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L'università di Ghent utilizza il GEN5i per misurare l'impatto degli uccelli sugli aeromobili

Nel laboratorio del Dipartimento di Scienza Applicata ai Materiali dell'Università di Ghent (Belgio) è stato simulato l'urto degli uccelli con gli aeromobili, allo scopo di ottenere maggiori informazioni sulle conseguenze degli impatti. Le collisioni vengono impostate non solo per provare i materiali e le parti, ma anche per stabilire i vincoli strutturali per minimizzare gli effetti degli impatti con gli uccelli. Ora che il laboratorio sta per partecipare alla Commissione Europea per il progetto E-Break, è stata ampliata la sua attrezzatura di prova. Per partecipare al progetto, l'università ha acquistato il registratore dati GEN5i della HBM (nel frattempo sostituto dal GEN7i), specificamente sviluppato per l'acquisizione dati ad altissima velocità.

“L'impatto degli uccelli può avere conseguenze fatali per l'aviazione”, afferma Geert Luyckx, supervisore dei contributi del laboratorio all'E-Break. “La collisione con un uccello non causa necessariamente un grande danno fisico, ma perfino un leggero squilibrio nel motore di un aereo può comportare gravi danni ed il guasto del propulsore. L'indagine sulle conseguenze dell'impatto degli uccelli in aviazione fa ormai parte da molti anni delle ampie procedure di prova.”

Il dipartimento ha guadagnato una considerevole reputazione sull'analisi delle conseguenze dell'impatto con gli uccelli. Un allestimento di prova fu realizzato nel 1997, contestualmente allo ‘Experimental simulation of birdstrike on airplane parts’ (parte del progetto European BRITE-EURAM II). Inizialmente, le simulazioni riguardavano solo l'impatto di uccelli pesanti 500 grammi, ma l'impianto è stato ampliato per il nuovo progetto, ed ora gestisce impatti con uccelli del peso di 1,8 chili, equivalente a quello di un'anitra. Sono state eseguite prove anche con volatili del peso di quattro chili, equivalente a quello di un'oca. Sebbene l'industria aeronautica conduca le prove usando uccelli veri, il laboratorio di Ghent utilizza blocchi di gelatina, che hanno massa e comportamento simili. La gelatina viene colata in uno stampo a forma di proiettile e poi sparata sull'oggetto in prova. Le prove sono normalizzate e condotte in conformità alle specifiche dei costruttori di velivoli come l'Airbus.

Impatto simulato degli uccelli: l'intera prova viene videoregistrata.

Impostazione della prova: durante la simulazione dell'impatto dell'uccello si possono misurare numerose grandezze

“L'impostazione della prova in laboratorio è abbastanza semplice”, spiega Frederik Allaeys, responsabile dell'esecuzione delle prove. “L'uccello a forma di proiettile viene caricato in un tubo e sparato fuori alla pressione di 30 - 40 bar, che gli imprime una velocità da 200 a 250 metri al secondo. All'estremità del tubo si trova una camera metallica contenente l'oggetto da provare. Si può trattare di componenti completi, pale della turbina o di pannelli costruiti con nuovi tipi di materiali. Per ridurre la resistenza dell'aria e gli effetti dell'onda di pressione sulla misura, la camera ha pressione negativa. Prima di entrare nella camera, l'uccello passa attraverso uno spellatore che rimuove il rivestimento del blocco di gelatina.”

Durante la simulazione dell'impatto dell'uccello si possono misurare numerose grandezze: velocità ed accelerazione dell'uccello, la pressione, lo spostamento, la vibrazione e la forza dell'impatto e, possibilmente, l'entità del rigonfiamento o dilatazione del materiale. L'intera prova viene videoregistrata. La preparazione della prova dura un giorno ed il suo costo medio è di circa 1.500 Euro. Per validare i risultati, ogni prova è ripetuta due volte. È molto importante che l'avanzamento della prova venga registrato ed analizzato accuratamente, cosa alquanto difficile poiché l'evento dura solo circa due secondi. A tale scopo, l'università necessita di un sistema di acquisizione dati che non solo registri ed elabori contemporaneamente i dati provenienti da più canali di misura, ma facendolo ad altissima velocità. In questo tipo di prove è di importanza cruciale che il trigger lanci tutte le registrazioni simultaneamente ed al momento giusto. 

Il registratore dati HBM GEN5i nell'allestimento di prova.

GEN5i: acquisizione dati ad alta velocità

Per questo progetto l'Università di Ghent ha acquistato un GEN5i della HBM. Secondo Frederik Allaeys, fu scelto questo particolare sistema di acquisizione dati grazie alla sua struttura modulare, che consente di aggiungere facilmente schede per le più svariate applicazioni. Il GEN5i è un completo sistema di acquisizione dati portatile, sviluppato specificamente per l'acquisizione ad alta velocità, con cadenza di misura di fino a 100 megacampionamenti (MS) al secondo. Può essere ampliato fino al massimo di 160 canali di misura simultanei ed è perciò adatto a complesse configurazioni di misura. Il laboratorio di Ghent utilizza mediamente da dieci a quindici canali di misura, con cadenza di campionamento fino a 25 MS/s.

Il registratore dati GEN5i è un calcolatore completo contenente un disco rigido integrale per la memorizzazione dei dati. Per le ulteriori analisi, i dati possono essere tramessi mediante interfacce standard quali WLAN, Gigabit Ethernet od USB. Inoltre, la configurazione standard del registratore comprende vari filtri ed il software Perception della HBM per elaborare, analizzare e visualizzare sullo schermo un'enorme quantità di dati di misura. Il GEN5i è un registratore di transitori, in grado di registrare segnali estremamente rapidi disponibili una sola volta. Questo tipo di segnali è spesso una caratteristica delle prove materiali distruttive, prove d'incendio e sotto alta tensione. Grazie alla sua semplice interfaccia utente ed al software proprietario, il registratore può essere configurato e lanciato rapidamente. 

L'analisi dell'impatto degli uccelli è parte del 'Progetto E-Break'

La speciale configurazione di misura realizzata nel laboratorio del Dipartimento di Scienza Applicata ai Materiali contribuirà al progetto E-Break, in corso dall'Ottobre 3012 al Settembre 2016 compreso, finanziato dalla Commissione Europea. “L'E-Break è stato istituito per limitare le emissioni ed il disturbo del rumore causati dall'aviazione”, spiega Frederik Allaeys. “I costruttori di motori aeronautici cercano di ottimizzare l'efficienza dei loro prodotti al fine di minimizzare le emissioni di CO2 ed NOX, oltre a ridurre il consumo di carburante ed i costi di manutenzione.

Questo ha condotto allo sviluppo di motori ad alta pressione, i quali non solo sono fino al 50 % più piccoli, ma ruotano a velocità molto maggiore e generano temperature molto più elevate. Ciò influenza la struttura del motore ed i materiali utilizzati, poiché i motori devono essere estremamente più robusti ma non più pesanti. Per raggiungere questi obiettivi sono stati introdotti i nuovi materiali compositi e le leghe di titanio-alluminio. La tecnologia, i materiali ed i componenti che sono cruciali per lo sviluppo di questi nuovo tipi di motori, vengono provati nel contesto del progetto E-Break. Lo studio dell'impatto degli uccelli è solo una piccola parte del progetto, ma fornirà informazioni essenziali per la progettazione e la sicurezza della nuova generazione di motori e di componenti.”