I progettisti di aerei devono simulare i flussi d’aria per misurare la performance e la sicurezza dei loro modelli. Per ottenere risultati accurati, i test devono svolgersi ad una temperatura di meno 160 gradi centigradi.La concentrazione è totale: gli occhi di tutti sono puntati sui terminali dei computer e sugli schermi video. L’unico rumore è, di quando in quando, il clic di una tastiera.

   La sala di controllo sembra una riproduzione più piccola di quella della NASA a Houston, da dove i controllori di volo gestiscono navicelle spaziali a decine di migliaia di chilometri di distanza. Anche qui lo staff sta controllando un oggetto in un’atmosfera inospitale (gas azoto raffreddato a –160 °C), ma la sala di controllo si trova a Colonia, in Germania, e l’oggetto, un modello stazionario di aereo, è nell’edificio accanto.

   Si tratta della galleria del vento ETW (European Transonic Wind), è il risultato di un progetto di collaborazione tra i governi tedesco, francese, britannico ed olandese ed è in esercizio dal 1993. Il suo scopo è facilitare la progettazione degli aerei simulando gli effetti del volo.

   Le gallerie del vento sono il principale metodo di verifica delle caratteristiche aerodinamiche di un aereo da costruire. Ma le gallerie del vento tradizionali, che soffiano aria su un modello di aereo, non possono riflettere con precisione un importante parametro denominato RN, o numero di Reynolds. Il numero di Reynolds è il rapporto tra le forze d’inerzia e le forze di tipo viscoso nel flusso d’aria, in pratica, una misura dell’attrito tra aria ed aereo.

   Ciò influisce notevolmente sulla resistenza aerodinamica e sulla manovrabilità e determina le caratteristiche delle onde d’urto che si verificano quando un aereo si avvicina alla velocità del suono.

   A temperatura ambiente, una galleria del vento produce numeri di Reynolds nettamente più bassi rispetto alle condizioni reali di volo. Aumentando la pressione dell’aria si possono aumentare questi valori, ma un modello di aereo può sopportare solo una pressione limitata. Per ottenere valori più precisi, si può eseguire il test a temperature ridotte. Alle temperature estreme che sono necessarie, tuttavia, alcuni dei gas che compongono l’aria assumerebbero lo stato liquido; ecco perché occorre servirsi di un altro gas.

   L’azoto, presentando il vantaggio di comportarsi in modo simile all’aria, rappresenta una buona alternativa. Inoltre, la velocità del suono si riduce con l’abbassarsi della temperatura e ciò significa che occorre meno potenza per azionare il ventilatore che fa circolare il gas.

   Oltre all’ETW, in tutto il mondo esiste soltanto un’altra galleria del vento transonica criogenica. Si tratta dell’American National Transonic Facility (NTF) presso il Langley Research Center della NASA a Hampton (Virginia), entrato in esercizio otto anni prima.

   Uso Walter, capo dell’amministrazione tecnica dell’ETW, spiega che l’ottenimento di numeri di Reynolds realistici è fondamentale per valutare la sicurezza e la performance. «Il McDonnell Douglas MD11 è stato costruito prima che fosse disponibile il test dell’RN» dice. «Durante i collaudi di volo, la sua performance è stata del 9% peggiore del previsto. A mio parere, i costi derivati da questo problema, emerso dopo la costruzione dell’aereo, sono stati tra le cause che hanno portato al crollo dell’azienda».

   Il circuito chiuso di gas è stato progettato per ottenere un flusso di alta qualità. Per fare in modo che l’azoto entri nella sezione di test nel modo più regolare possibile, esso viene fatto passare prima attraverso una camera con raddrizzatori a nido d’ape e schermi che ne riducono la turbolenza.

   Il tunnel è stato progettato in modo che le variazioni di temperatura influiscano poco sulla sua geometria. Questa struttura di acciaio inossidabile del peso di 2500 tonnellate ha un solo supporto fisso, in modo che il resto della galleria possa espandersi e contrarsi liberamente in senso orizzontale. L’involucro di pressione è isolato sul lato interno per ridurre al minimo l’effetto che le variazioni di temperatura hanno sull’acciaio, ma la maggior parte dei componenti interni sono senza isolamento in modo da poter reagire prontamente ai cambiamenti di temperatura.

   I modelli di aerei sono privi di caratteristiche distintive come finestrini o verniciatura. Le superfici appaiono lisce e brillanti, ma esaminandole attentamente si notano centinaia di minuscoli fori che permettono di valutare la distribuzione della pressione sulla superficie del modello. All’interno del modello c’è una bilancia che lo collega al supporto. Walter spiega che questo nome risale ai tempi in cui i modelli venivano sospesi nella galleria del vento mediante cavi.

   «A quel tempo, le forze applicate ai modelli venivano letteralmente misurate con bilance decimali» dice. «Oggi la bilancia è un dispositivo elettronico di misurazione che registra le forze esercitate sul modello dal flusso di gas».

   La possibilità di calibrare accuratamente la bilancia per diverse temperature è uno dei più importanti vantaggi offerti dall’ETW, e sono disponibili bilance diverse per un adattamento preciso al modello da testare.

   Oggi il modello è supportato da uno o due «sting», cioè barre fissate alla parte posteriore o alle ali. Lo sting è fissato ad una piastra mobile che consente la regolazione dell’angolo di attacco del modello. L’ETW offre inoltre la possibilità di svolgere test di semimodelli, in cui mezza fusoliera ed una sola ala vengono fissate alla parete superiore della sezione di test.

   Raddoppiando la scala del modello, è possibile ottenere numeri di Reynolds più alti e simulare la nuova generazione di grandi aerei. Il tutto viene sospeso ad un carrello e fatto passare attraverso una sezione ad aria secca e quindi in una camera a temperatura variabile in cui sia il carrello che il modello vengono raffreddati e predisposti ad entrare nella galleria. Tra le sedute di prova, uno speciale box freddo nella camera a temperatura variabile permette di eseguire adattamenti mantenendo freddo il modello e consentendo ai tecnici di operare a temperatura ambiente.

   Durante una seduta di test, il modello viene mosso a diverse angolazioni mentre la temperatura, la pressione e la velocità del flusso di gas vengono fatte variare a intervalli fissi. Un test con un cambiamento in un solo parametro è detto «polar.» Ogni polar dura circa un minuto, e ciascun modello resta nella galleria per un periodo che può durare fino a 90 minuti. Si tratta di una procedura costosa. Un modello costa fino a 750.000 euro ed una serie di test della durata di due settimane costa come minimo altri 500.000 euro.

   Dalla sala di controllo, tre porte conducono a tre serie separate di locali in cui si possono elaborare i dati e montare ed adattare i modelli. Per tutta la durata dei test, una serie di locali è esclusivamente riservata ad uso del cliente. L’accesso ai locali e ai dati di prova è disponibile solamente a quel cliente ed allo staff ETW prescelto.

   Fino a tre clienti possono utilizzare la galleria contemporaneamente senza venire a sapere nulla l’uno dell’altro. La porta di controllo è chiusa a chiave e le persiane della finestra vengono chiuse quando un cliente sta svolgendo un test. Uno dei locali è stato addirittura progettato come una gabbia di Faraday, per garantire che i dati siano inaccessibili allo spionaggio elettronico.

   Walter dice che l’ETW è stato usato solo di rado da diversi concorrenti contemporaneamente, ma la struttura è stata progettata in modo da permettere allo staff ETW di lavorare ai propri progetti mentre i clienti valutano i dati o adattano i propri modelli. Comunque, è importante dimostrare che i problemi relativi alla sicurezza vengono presi sul serio.

   «La prima volta che la Boeing è venuta da noi» dice Walter, «la prima domanda che ci è stata rivolta non riguardava la scienza ma la sicurezza».

Michael Lawton
  
Giornalista economico, Colonia
  
foto Thomas Müller ed ETW