REPORT DI MONITORAGGIO CIVICO
Sistemi di propulsione ibridi per velivoli ad ala fissa e ala rotante

Inviato il 22/03/2021 | Di Fly High Team | @team_hight

Cosa abbiamo scoperto

Descrizione

Il progetto PROSB è il primo progetto a livello nazionale che si propone di elaborare studi integrati di fattibilità per l’applicazione di sistemi di propulsione ibrido/elettrica ai velivoli regionali e alle piattaforme ad ala rotante. La ricerca è stata realizzata dal C.I.R.A., Centro di Ricerche aerospaziali di Capua, con il coordinamento di Leonardo SPA, ente capofila del finanziamento, in collaborazione con aziende, enti accademici e centri di ricerca, quali l’Università degli Studi di Napoli, Politecnico di Torino, Università di Pisa e Università di Palermo.
A causa delle restrizioni dovute al COVID-19, nella Regione Campania in particolare, la sospensione delle attività didattiche in presenza si protrae da molto tempo, non abbiamo potuto visitare gli impianti del C.I.R.A., per cui tutte le informazioni necessarie alla ricostruzione della storia tecnica ed amministrativa del progetto, ci sono state presentate dagli attori della ricerca, durante i seminari ed interviste on-line. In particolare ci siamo rapportati con l’ing. Giuseppe Mingione, responsabile del progetto per il CIRA che ci ha illustrato il funzionamento dei motori ibridi ed elettrici e delle problematiche ad essa inerenti.
Ci sono state presentate le motivazioni alla scelta del progetto e i suoi principali obiettivi, in riferimento al tema della ricerca ed innovazione e soprattutto in termini di ricaduta per il nostro territorio. Obiettivo prioritario del PON Ricerca e Innovazione è il riposizionamento competitivo delle regioni più svantaggiate allo scopo di produrre mutamenti strutturali per creare opportunità di sviluppo territoriale, incentivando la formazione di laboratori di innovazione, attraverso la collaborazione tra i vari attori, pubblici e privati . A tutto questo si associa l'intento di favorire lo sviluppo di nuove competenze professionali richieste dal mercato del lavoro grazie all'attivazione di interventi sul capitale umano tali da favorire la predisposizione di un'offerta di professionalità di adeguato profilo.
La ricerca si è proposta di indagare configurazioni di velivoli ad ala fissa e rotante VTOL (vertical take off and landing) e eVTOL (Electric vertical takeoff and landing) ed architetture per i sistemi di propulsione per identificare la migliore strategia per utilizzare le diverse fonti energetiche di bordo. Gli studi di configurazione sono stati supportati dall’analisi dei trend delle principali tecnologie abilitanti e della loro validazione preliminare attraverso prove in galleria del vento e di laboratorio, alla ricerca delle soluzioni ai principali problemi posti dai sistemi propulsivi elettrici ed ibridi. Nell’ambito del progetto PROSIB si è deciso di sviluppare soprattutto le soluzioni elettriche o ibrido/elettriche per il trasporto regionale, concentrando gli studi per massimizzare i benefici, sugli ATR42 velivoli di dimensioni più piccole.
Nello specifico il C.I.R.A. si è occupato degli studi di Aerodinamica e Aereoacustica, Strutture , Sistemi elettrici e Propulsione; Leonardo Divisione Elicotteri, project management del progetto, dei requisiti di missione, attività disciplinari e costi; mentre all’università di Napoli Federico II sono state assegnate borse di studio per il “Supporto alla progettazione, modellazione ed analisi strutturale e stima dei pesi di velivolo commuter 19 posti con configurazione elettrica ”, per la “Progettazione, valutazioni strutturali e disegnazione CAD di modello scalato di velivolo per prove in galleria del vento e per il “Supporto alla progettazione di configurazioni regionali tipo ATR42 ibrido-elettriche. Aerodinamica e prestazioni” focalizzato sul design e analisi di velivoli 19-42 passeggeri con motorizzazione ibrida.
Il CIRA, ha sviluppato sia le ricerche teoriche che i dimostratori per la sperimentazione in condizioni operativamente rilevanti delle tecnologie proposte, oltre ad offrire servizi di test e qualifica attraverso i propri impianti agli altri soggetti coinvolti nella ricerca. Il futuro del progetto si inserisce in una ricerca asservita allo sviluppo della competitività della filiera con l’urban air mobility, cioè la mobilità in ambito urbano, e all’interurban, ovvero le opportunità di collegamento tra città relativamente vicine ma comunque non sufficientemente distanti, tanto che i relativi collegamenti non sono oggi serviti dall’aviazione civile tradizionale
Il progetto Prosib ha affrontato tecnologie che miglioreranno non solo i nuovi tipi di aeromobili, ma la diffusione degli eVTOL avrà impatto sui sistemi di gestione del traffico aereo per la necessità di sviluppare ed implementare un nuovo sistema completo di gestione per l’adozione su vasta scala di questi aeromobili; sarà necessario un ingente investimento delle infrastrutture necessarie. Inoltre si svilupperà un nuovo mercato ad alto potenziale per la produzione degli eVTOL, che però potrebbe mettere a rischio gli attuali produttori e venditori di elicotteri tradizionali.
In questo contesto il CIRA contribuisce significativamente al mantenimento della leadership tecnologica nazionale nelle aero-strutture ad alta efficienza ed a basso peso ed all'incremento delle prestazioni aerodinamiche, di velivoli di più immediato interesse della filiera aeronautica nazionale, in particolare nel trasporto regionale e di velivoli di piccole dimensioni (4-19 posti), promuovendone l’attuazione mediante lo sviluppo di dimostratori realizzati sia in ambito nazionale che europeo. Il progetto PROSIB è in linea con gli obiettivi strategici indicati dalla Commissione Europea e risponde agli obiettivi di sostenibilità del trasporto aereo indicati da IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), Flightpath 2050 e ICAO (International Civil Aviation Organization).
L’aviazione civile e militare viaggia verso il futuro per preservare l’ambiente in cui viviamo. Le emissioni prodotte dai motori degli aerei contribuiscono fortemente all’effetto serra perché sono rilasciate direttamente nell’atmosfera, e per questo risultano ancora più dannose per il clima. il traffico aereo ha registrato una fase di crescita pressoché costante determinando un incremento importante del suo impatto negativo sull’ambiente, soprattutto in termini di inquinamento atmosferico ed acustico. Secondo il rapporto dell’European Aviation Environmental EAE 2019 il numero di voli è aumentato il 1990 e il 2018, ed è prevista una crescita di un ulteriore 45% tra il 2018 e il 2035. Secondo il report dell’EEA le emissioni di CO2 sono aumentate di circa il 80% tra il 1990 e il 2018, e si prevede che cresceranno di un ulteriore 45% tra il 2018 e il 2035 mentre le emissioni degli ossidi di azoto-NOX sono raddoppiate tra il 1990 e il 2018, e si prevede una crescita di un ulteriore 43% tra il 2018 e il 2035.
L’innovazione nel rispetto dell’ambiente è la priorità di molte aziende aerospaziali. Per questo dovranno essere costruiti aerei ad emissioni ridotte. La realizzazione di accumulatori di nuova generazione è la sfida in atto in diversi centri di ricerca mondiali, con un reciproco scambio di know how per mettere a confronto le rispettive tecnologie, con importanti impegni economici nelle sperimentazioni e nella realizzazione di prototipi di aereo alla ricerca della migliore funzionalità, leggerezza e sicurezza del mezzo di trasporto più efficiente, sia per il traporto passeggeri, che merci e militare.
La visione 2050 dell’UE per l’aviazione prevede di rendere l’Europa un leader mondiale nei prodotti e nei servizi aeronautici sostenibili, soddisfacendo allo stesso tempo le esigenze dei suoi cittadini e della società. A questo scopo, si è posta un obiettivo estremamente impegnativo: ridurre il consumo energetico e le emissioni di CO2 degli aerei per passeggero-chilometro del 75 % entro il 2050.

PROSIB si inserisce in una serie di programmi nazionali ed europei tra i quali il Prora, “Programma nazionale di Ricerche Aerospaziali”, varato e finanziato dal MIUR e affidato al CIRA di Capua, con l’obiettivo di favorire lo sviluppo di infrastrutture e competenze per la ricerca nel campo aerospaziale. Elaborato sulla base delle esigenze espresse dal mondo della ricerca e dell’industria nonché delle prospettive di sviluppo dei settori aeronautico e spaziale, prevede:lo svolgimento di attività di ricerca e sperimentazione, la produzione e lo scambio di informazioni, la formazione del personale nei settori aeronautico e spaziale da realizzarsi anche attraverso la partecipazione a programmi di ricerca europei e internazionali; nonché la realizzazione e il mantenimento di opere e impianti funzionali a tali scopi.
Altro programma è Horizon 2020-TRANSPORT, 2018-2020 “Smart, Green and Integrated Transport” che mira a rafforzare la competitività delle industrie europee dei trasporti e realizzare un sistema di trasporto europeo efficiente dal punto di vista delle risorse , rispettoso per il clima e l’ambiente , sicuro e senza interruzioni a vantaggio di tutti i cittadini, dell’economia e della società. HORIZON 2020 fornirà finanziamenti per l’impiego di risorse ecosostenibile, riducendo l'uso di combustibili fossili, rendendo gli aeromobili, i veicoli e le navi più puliti e silenziosi per ridurne al minimo l'impatto sviluppando attrezzature, infrastrutture e servizi intelligenti e migliorando i trasporti e la mobilità nelle aree urbane.

Avanzamento

Per il progetto, della durata iniziale di 36 mesi, è stata richiesta una proroga di 6 mesi alla scadenza prevista, concessa per agosto 2021, al fine di consentire il completamento di tutte le attività inizialmente pianificate nel capitolato tecnico. Sicuramente le maggiori difficoltà sono state legate alla situazione contingente del COVID: annullamento di ogni meeting in presenza tra i partners, interazioni tra attori coinvolti, organizzazione per le attività sperimentali, organizzazione delle attività di rendicontazione.
Gli studi finora realizzati hanno dato risultati promettenti in linea con i risultati attesi e il progetto è riuscito a spingere la tecnologia di propulsione elettrica oltre lo stato dell'arte. I ricercatori hanno progettato i componenti del sistema di propulsione ibrido dalla fase concettuale alla realizzazione del prototipo in scala, che sarà sperimentato nella galleria del vento. La ricerca ha contribuito a migliorare la competitività europea sui sistemi di propulsione elettrica su scala globale. Tutti i partner del consorzio stanno ora lavorando per maturare ulteriormente le tecnologie e per soddisfare tutti i requisiti commerciali e normativi.
PROSIB, anche grazie al continuo sostegno della Regione Campania, porterà ricadute importanti in termini di occupazione, dando da un lato opportunità di lavoro al patrimonio culturale che esce dalle nostre università, e dall’altro consentendo di attrarre ricercatori esteri, contribuendo all’internazionalizzazione della ricerca.
Il settore aerospaziale è un settore trainante per l’economia in Campania. L’aerospazio assolve un ruolo fondamentale in ambiti chiave per il funzionamento e lo sviluppo del sistema territoriale, ponendo le condizioni per la sua stabilità e crescita, contribuendo al progresso scientifico e alla ricerca di nuove tecnologie. Il settore consente di generare know-how e innovazione tecnologica agendo da volano di sviluppo, da monte a valle, lungo la filiera allargata dell’industry.

Risultati

Non è stato possibile valutare l’efficacia dell’intervento - Es. il progetto non ha ancora prodotto risultati valutabili

Punti di debolezza

Nella realizzazione del progetto, secondo quanto ci ha raccontato l’ing. Giovanni Troiano di Leonardo, i principali problemi sono derivati dalla finalizzazione delle attività di preliminary design e definizione delle configurazioni velivolo , dalle attività di sperimentazione e dalla verifica sia delle logiche di every management e dei test aerodinamici in galleria del vento che metodologiche, anche a causa della sovrastima delle potenzialità di alcuni strumenti software off-the-shelf che hanno necessitato una rimodulazione tecnica.
Inoltre, vista la notevole sfida tecnologica per velivoli da trasporto con un numero di passeggeri superiore a 19 e la completa inesistenza di piattaforme simili, è stato necessario studiare tecnologie non esistenti e capirne i limiti per trovare le quali fossero le linee di miglioramento su cui investire di più.

Punti di forza

Grazie a questa ricerca abbiamo scoperto che rispetto a qualche anno fa, quando l’idea di far volare un aeroplano con delle batterie era considerata fantascienza , oggi sta diventando una realtà. In questi velivoli, pur essendo generalmente efficienti e silenziosi, le batterie e motori elettrici tendono a essere ingombranti e pesanti, con una capacità energetica ben inferiore rispetto ai combustibili liquidi.
Si prevede che entro il 2030 il 60% della popolazione mondiale vivrà in grandi agglomerati urbani, percentuale destinata a crescere ancora e raggiungere i tre quarti di tutti gli abitanti del pianeta, ormai raddoppiati rispetto agli attuali 4 miliardi di persone, entro il 2050. Questo incremento porterà le megalopoli ad emettere il 70% dei gas serra e a consumare i due terzi delle energie globali. Se a ciò si aggiunge che già oggi circa la metà della superficie pubblica nelle città è occupata in media da strade, in termini di trasporto, la congestione e l'inquinamento che ciò genera costringe ora a escogitare soluzioni di mobilità più sostenibili. Per trovare una soluzione non c’è altra via che la “terza dimensione”: l’aria. Il report Deloitte con "The elevated future of mobility: what's next on the horizon" ha analizzato l'evoluzione degli eVOTL e le tappe del loro futuro sviluppo. In questo scenario l’UAM si presenta come il prossimo salto generazionale, qualcosa che permetta non solo di migliorare lo stato di salute degli ambienti cittadini, ma anche di allargare il raggio dei nostri spostamenti.
l’Europa finora è il continente che sta guidando il settore: Germania, Olanda e Belgio hanno aderito all’iniziativa di partnership per l’innovazione per smart city e comunità (EIP-SCC), la Francia ha optato per l’European Urban Air Mobility initiative, coordinata da Airbus, Eurocontrol e EASA. Per quanto riguarda l’Italia, Torino è stata selezionata per il progetto europeo ”Urban air mobility” con una sperimentazione che partirà entro due anni e riguarderà prima il trasporto di oggetti e poi di persone. Sempre a Torino la holding Always sta sviluppando il progetto SkyGate, acceleratore dedicato all’innovazione tecnologica nell’UAM con l’apertura del primo vertiporto per velivoli a decollo e atterraggio verticale nel nostro Paese. Il progetto prevede anche l’apertura, nell’area, di una accademia dedicata alla formazione dei nuovi piloti e tecnici dedicati alla mobilità verticale. Il Comune di Venezia sta per firmare un protocollo d’intesa con l’ENAC finalizzato ad avviare un’attività di sperimentazione di Urban Delivery e Urban Air Mobility attraverso l’utilizzo di droni.

Rischi

Sicuramente eVTOL è un sistema di trasporto innovativo che consentirà il decongestionamento di molte aree urbane del mondo con una notevole riduzione dei tempi di percorrenza. Affidandosi alla propulsione elettrica, contribuirà alla drastica riduzione dell’inquinamento. L’Urban Air Mobility potrà rappresentare una rivoluzione del trasporto urbano, ma presuppone un radicale cambiamento della struttura della città. La sua fattibilità dipende dal soddisfacimento contemporaneo di numerose condizioni.
Per poter assurgere a mezzo di trasporto di massa l’intero settore deve affrontare una serie di sfide chiave che riguardano diversi aspetti: l’ideazione di aeromobili futuristici, dotati di motori elettrici all’avanguardia in grado di risolvere il problema SWaP ( il bilanciamento tra potenza, leggerezza e dimensioni) , a basso impatto sonoro (almeno 15 db in meno di un elicottero leggero), con costi contenuti per poter garantire un pricing adeguato alle aspettative e soprattutto sicuri. Oltre al mezzo in sé sono poi necessarie una serie di infrastrutture, dai vertiporti a sistemi software per la gestione del traffico aereo, oltre che affrontare e sdoganare due aspetti fondamentali: il sistema di regole, norme e certificati, a livello burocratico, e l’accettazione sociale dell’UAM. Su un campione di 10.000 consumatori intervistati da Deloitte a livello mondiale, emerge che circa la metà vede negli aeromobili a guida autonoma per passeggeri una valida soluzione per contrastare la congestione del traffico stradale, ma l’80% di essi crede che questi veicoli "non siano sicuri", o ha qualche dubbio sulla loro sicurezza.

Soluzioni e Idee

Le attività di ricerca e sviluppo nel settore dell’avionica presentano delle peculiarità molto specifiche: presuppongono importanti investimenti e richiedono professionalità adeguate con prestazioni elevate. I ricercatori dovrebbero essere coinvolti in progetti collaborativi, facilitando le relazioni tra imprese, Università, centri di ricerca con la messa a sistema delle competenze strategiche e delle eccellenze presenti sul territorio, al fine di favorire il trasferimento tecnologico e l’utilizzo di nuove tecnologie a sostegno del processo di innovazione del settore. Come ci ha detto l’ing. Troiano, il progetto PROSIB, realizzato nell'ottica di reciproche collaborazioni progettuali, rappresenta sicuramente un esempio di più professionalità impegnate nel circolo virtuoso che va dalla ricerca allo sviluppo delle applicazioni Si potrebbero promuovere hub territoriali con proiezione internazionale attraverso forme di partenariato che integrino ricerca, innovazione, istruzione e prevedano anche il coinvolgimento degli utilizzatori finali (es. living lab)
Inoltre sarebbe opportuno che i programmi nazionali siano armonizzati in ambito europeo con progetti a lungo termine per promuovere uno sviluppo duraturo e sostenibile e una crescita competitiva attraverso dotazioni per la ricerca.

Metodo di indagine

Come sono state raccolte le informazioni?

  • Raccolta di informazioni via web
  • Intervista con gli utenti/beneficiari dell'intervento
  • Intervista con altre tipologie di persone
  • Intervista con i soggetti che hanno o stanno attuando l'intervento (attuatore o realizzatore)

Ing. Giuseppe Mingione C.I.R.A. responsabile del progetto PROSIB, ricercatore per il Dipartimento di Meccanica dei Fluidi
Ing. Antonio Visingardi C.I.R.A Ricercatore senior
Dott.ssa Daniela Piragine C.I.R.A responsabile amministrativo CIRA
Ing. Giovanni Troiano Divisione elicotteri Leonardo Pomigliano
Dott. Pietro Scardamglio AFC Amministrazione Finanza e Controllo, Auditore e Certificatore ISO
Prof. Pierluigi Della Vecchia docente Meccanica del Volo del Dipartimento di ingegneria industriale Università degli Studi Federico II

Domande principali

1. Ing. Giuseppe Mingione:
Di cosa si è occupata la ricerca del CIRA e in quale contesto si inserisce?

2. Ing. Giovanni Troiano:
Quale ruolo assume la sostenibilità ambientale nella mission di Leonardo?

Risposte principali

1. Il Cira, centro di ricerca aerospaziale governativo, opera in sinergia con le imprese private e nazionali, con l’obiettivo di alimentarne la competitività e di implementare i piani di sviluppo tecnologico di lungo termine che non possono essere supportati esclusivamente con le logiche di profitto di impresa.
L’area di specializzazione Aerospazio fa riferimento a soluzioni tecnologiche e rappresenta il maggiore comparto manifatturiero in Campania per quanto riguarda i sistemi integrati ad alta tecnologia e costituisce un forte bacino industriale hi-tech in grado di produrre innovazione e generare effetti di positivi su mercati adiacenti. Lo sviluppo del settore si è sempre fondato sull’utilizzo di tecnologie avanzate e su attività di ricerca, innovazione tecnologica e sviluppo di prodotti industriali.
Nello specifico PROSIB si è occupato di sistemi di propulsione ibrido-elettrici che presentano una più elevata efficienza energetica rispetto alla motorizzazione convenzionale e soprattutto permettono di abbattere drasticamente i livelli di emissioni sia di sostanze inquinanti e clima-alteranti che di rumore.
Nell’ambito del progetto si è deciso di studiare soprattutto soluzioni elettriche o ibrido elettriche per il trasporto regionale
Per massimizzare i benefici ci si è concentrati su di un velivolo più piccolo ATR 42 e su range di minori dimensioni e per ovviare ai problemi dovuti alla scarsa energia delle batterie, è stato sfruttato il minor peso dei motori elettrici e la loro scalabilità.
Per il trasporto a brevissimo termine si è deciso di studiare soluzioni ad ala rotante e completamente elettriche.

2. La mobilità di persone e merci continua a crescere in maniera significativa a livello globale. Le previsioni per il solo traffico aereo stimano al 2036 il raddoppio della flotta commerciale e l’immissione sul mercato di ulteriori 41.000 velivoli. Leonardo è attiva da anni nella Ricerca e Sviluppo e nella vendita di soluzioni innovative che, grazie a materiali e tecnologie all’avanguardia, limitano i consumi energetici e le emissioni di gas serra, contribuendo a ridurre gli impatti ambientali in diversi settori. Tutti i velivoli e gli elicotteri civili di Leonardo sono certificati in accordo alle specifiche ambientali e di rumore dell’International Civil Aviation Organization (ICAO). Tra questi gli ATR consumano il 40% di combustibile in meno rispetto a quello consumato dai jet sulle tratte regionali, consentendo una riduzione delle emissioni di CO2 di circa 5.000 tonnellate annue per velivolo. Allo scopo di rendere aerei ed elicotteri più leggeri e resistenti, Leonardo utilizza, laddove possibile, il carbonio in sostituzione dei materiali metallici. In tal modo, oltre a conseguire una maggiore efficienza operativa, con riduzioni di consumi di carburante del 10-15% e di emissioni di gas serra di circa il 20%, viene prolungata la vita utile dei prodotti, risparmiando risorse. Leonardo è presente anche all’interno degli aeroporti con i suoi sistemi avanzati di Air Traffic Management che ottimizzano i flussi di traffico aereo e con l’innovativo sistema di smistamento bagagli che consente un risparmio energetico di circa il 30% rispetto ai sistemi tradizionali.