Un'azienda di servizi di consulenza ingegneristica in ambito aerospaziale utilizza Simcenter STAR-CCM+ per ridurre i costi di certificazione degli aeromobili

Economicità certificata

"Il nostro obiettivo era quello di avere il programma di test di volo più noioso mai esistito", afferma Wayne Tygert, ingegnere capo presso Boeing, descrivendo uno dei programmi per le prove di volo del 787-10 Dreamliner utilizzati per la certificazione.

Solitamente, noioso non è il primo aggettivo a cui si pensa quando si descrive qualcosa che ha richiesto 900 ore di volo di collaudo su tre velivoli di prova, migliaia di regolamenti, più di 4.000 documenti e milioni di dollari. E cos'è il 787-10? Nient'altro che una nuova versione del già certificato 787-9, con fusoliera allungata per ospitare altri 40 passeggeri. La produzione del 787 Dreamliner originale, dalla fase di sviluppo alla certificazione del nuovo design, ha richiesto otto anni, 4.645 ore di volo di collaudo, più di 200.000 ore di lavoro da parte degli esperti della Federal Aviation Administration (FAA) e un costo di certificazione molto più elevato.

Pur avendo contribuito a fare del trasporto aereo la modalità di trasporto più sicura, il processo di certificazione di un aeromobile, sia esso nuovo o modificato, è lungo, costoso e costellato di ostacoli burocratici. Dai più grandi aerei della storia ai piccoli biposto in acciaio e tessuto, prima che un aeromobile sia operativo è necessario attestarne l'aeronavigabilità e la conformità e ottenere la certificazione delle autorità di regolamentazione.

L'enorme costo della certificazione

Si stima che il costo della certificazione ammonti a 1 milione di dollari per un aeromobile di categoria primaria (massimo tre posti), 25 milioni di dollari per un aereo di aviazione generale e oltre 100 milioni di dollari per un aereo commerciale. Certificazioni e ritardi possono comportare spese per diversi milioni di dollari, che in alcuni casi superano i costi legati allo sviluppo dell'aeromobile. Questo processo può fare la differenza tra profitti o perdite.

Spesso si verificano eventi quali ritardi nei programmi, mancato rispetto delle date di consegna, sforamento dei costi e problemi di sicurezza dovuti a progetti che non soddisfano i requisiti di certificazione e che richiedono costose riprogettazioni e test di volo. In che modo le aziende possono ridurre costi e tempi di certificazione? È possibile ridurre i costosi test e al contempo attestare l'aeronavigabilità?

Robert Lind e Andrew McComas di TLG Aerospace, che insieme vantano 45 anni di esperienza nella progettazione, nello sviluppo e nella certificazione degli aeromobili, conoscono bene queste problematiche. La loro sede operativa è un ufficio senza troppe pretese situato in un modesto edificio a sei piani sul Lake Union di Seattle, ma grazie alla loro esperienza e alla loro competenza, tra i loro clienti figura la crème de la crème del settore aeronautico moderno. TLG Aerospace ha aiutato numerosi clienti a ottenere la certificazione FAA negli Stati Uniti a basso costo e in breve tempo, con un'efficienza sorprendente.

Certificazione basata su analisi

La certificazione degli aeromobili da parte della FAA prevede tre fasi: certificazione del progetto, certificazione della produzione (PC) e certificazione di aeronavigabilità (AC). La fase di certificazione del progetto prevede l'approvazione della sicurezza, dell'operabilità e della durabilità del progetto, con certificato di omologazione (TC) per i nuovi progetti e certificato di omologazione supplementare (STC) per i progetti modificati. La certificazione della produzione fornisce l'approvazione per la produzione di parti, componenti e sistemi, mentre la certificazione di aeronavigabilità fornisce l'approvazione per mettere in funzione l'aeromobile.

Altre agenzie di regolamentazione in tutto il mondo adottano un processo simile. La FAA richiede la certificazione basata su test o su analisi validate mediante test. Nel settore, questa certificazione è nota come certificazione basata su analisi (CBA). Queste analisi vengono effettuate utilizzando un modello completo del veicolo che viene validato mediante un test di volo condotto su un intervallo specifico dell'inviluppo di volo, stabilito in anticipo dall'autorità di certificazione. Il modello completo del veicolo include:

• Aerodinamica: una combinazione di fluidodinamica computazionale (CFD), metodi di ordine basso, galleria del vento e analisi di tipo manualistico validate mediante misurazioni di pressione e deformazione nei test di volo
• Strutture: analisi agli elementi finiti (FEA) e calcoli di tipo manualistico validati mediante test delle vibrazioni a terra (GVT) e carico statico nella prova a terra
• Proprietà di massa: progettazione assistita da computer (CAD) e calcolo dei pesi validato mediante pesatura
• Controlli di volo: leggi del controllo di volo validate mediante simulazione integrata e test di volo

Il modello integrato del veicolo completo viene infine validato mediante test di volo e deve essere accurato o conservativo. Le autorità di certificazione garantiscono che l'analisi dia un risultato sicuro. Solitamente, il produttore di apparecchiature originali (OEM) si preoccupa di limitare il conservatorismo per evitare un eccesso di peso e il mancato raggiungimento di alcune prestazioni.

L'approccio di TLG Aerospace alla certificazione con CFD

"Ciò che è cambiato è l'equilibrio tra il numero di analisi che è possibile eseguire e il numero di analisi che è possibile utilizzare nel processo di certificazione", afferma Lind, Director of Engineering, FAA Flight Analyst Designated Engineering Representative (DER), FAA Flutter DER, TLG Aerospace. "Uno degli sviluppi più entusiasmanti cui ho assistito nei miei 30 anni di carriera nel settore. I codici CFD e i computer sono diventati più efficienti, dunque il processo di certificazione è più rapido ed economico".

La maggior parte del lavoro di Lind consiste nel convincere i clienti a ottenere il certificato di omologazione mediante l'analisi. Essendo uno dei quattro DER che operano in pianta stabile all'interno di TLG Aerospace, può firmare per alcune funzioni di certificazione per conto della FAA. TLG Aerospace utilizza il software Simcenter STAR-CCM+™ di Siemens Digital Industries Software per l'analisi CFD e il software MSC Nastran® per FEA per sviluppare modelli di certificazione dell'intero veicolo per carichi, flutter e qualità di maneggevolezza, modellati in modo appropriato per l'intero inviluppo di volo.

Andrew McComas, Engineering Manager e Aerodynamicist presso TLG Aerospace, osserva: "Utilizziamo Simcenter STAR-CCM+ in un ambiente di certificazione diverso da quello di progettazione. La CFD occupa un ruolo importante nel processo di certificazione. Non usiamo la CFD per ottenere una risposta che venga approvata dalla FAA. Utilizziamo la CFD per costruire un modello aerodinamico/strutturale/di controllo in scala reale che ci consenta di simulare la risposta del veicolo e ricavare informazioni sul carico e la maneggevolezza".

Per certificare un nuovo aeromobile, è necessario un database aerodinamico. Per costruire l'intero database di analisi è necessario che i dati relativi a centinaia di migliaia di condizioni siano disponibili in un breve lasso di tempo. Le proprietà aerodinamiche del veicolo sono calcolate a livello degli estremi dell'inviluppo di volo e del progetto utilizzando la CFD. I risultati della CFD vengono mappati a un modello aerodinamico di ordine ridotto all'interno del processo aeroelastico. TLG Aerospace calibra il modello aeroelastico per sviluppare soluzioni aeroelastiche per l'intero veicolo che sono supportate dalla CFD rigida. Il modello aeroelastico finale riprodurrà l'aerodinamica integrata e distribuita dell'intero veicolo in modalità rigida e genererà una soluzione aeroelastica convergente in pochi secondi.

Attraverso le previsioni viene ora dimostrato il rispetto delle normative a determinate condizioni. Quindi i test di volo validano i modelli di analisi. Questa validazione può essere applicata solo a una parte dell'inviluppo di volo, in modo da ridurre il rischio associato ai test in volo. Una volta eseguita la validazione, il modello può essere utilizzato per dimostrare la conformità in altre condizioni di volo. L'uso di un modello di test pre-volo ad alta fedeltà riduce significativamente la quantità di regolazioni e calibrazioni necessarie per il modello di test post-volo.

Riduzione dei costi di certificazione con Simcenter STAR-CCM+

McComas attribuisce a Simcenter STAR-CCM+ e Amazon Web Services (AWS) il merito di avere fatto passi avanti nella riduzione dei costi di certificazione.

"Simcenter STAR-CCM+ viene eseguito in modo affidabile, accurato e ripetuto con processi semplici e best practice", afferma McComas. "Ciò offre alle aziende la certezza che il codice può essere utilizzato come fonte per la generazione di database aeronautici. L'elasticità di calcolo di AWS con Power On Demand di Siemens ci permette di eseguire più simulazioni su più cluster contemporaneamente in cloud in modo sicuro. Senza il modello di licenza POD, non saremmo in grado di sfruttare appieno le risorse di elaborazione elastica e sosterremmo il costo elevato delle licenze annuali.

In breve, l'intero database aerodinamico viene generato in tempi più brevi con licenze economicamente vantaggiose. Il vantaggio aggiunto? La riduzione del numero di test in galleria del vento.

CFD o galleria del vento? La risposta è "entrambe". Con oltre 100 campagne di test in galleria del vento a bassa e alta velocità, TLG Aerospace vanta una notevole esperienza nei test sperimentali. Quindi i test in galleria del vento non sono più di moda? Niente affatto.

Nel linguaggio comune, la galleria del vento la fa ancora da padrone, ma si tende sempre più a delegare una parte consistente dei suoi compiti alla CFD. I test in galleria del vento sono ancora utilizzati per lo sviluppo di database aerodinamici per le nuove configurazioni di aeromobili. Tuttavia, la CFD integra i test in alcune condizioni e li sostituisce in altre, garantendo enormi risparmi. La Figura 4 offre un confronto tra i codici CFD legacy e Simcenter STAR-CCM+ e i test in galleria del vento visti da TLG Aerospace. Con un investimento minimo, Simcenter STAR-CCM+ può ridurre e sostituire alcuni requisiti di test. Considerando il tasso di utilizzo e il costo del modello per i test in galleria del vento, ciò può tradursi in un notevole risparmio di tempo e costi.

I test in galleria del vento continuano a essere lo strumento migliore per i regimi di separazione incipienti come l'analisi degli angoli di attacco elevati e della gestione della derapata. La CFD funziona meglio per angoli di attacco moderati e indagini dettagliate sul campo di flusso.

"Oggi, è possibile eseguire database di grandi dimensioni in Simcenter STAR-CCM+ a costi di molto inferiori e con una pianificazione molto più ridotta rispetto ai metodi legacy e ai test in galleria del vento", dichiara McComas. "Solo un decennio fa, questo non era possibile".

Grazie all'elasticità di calcolo e alle licenze cloud, non vi è alcuna limitazione tecnica per quanto riguarda l'esecuzione simultanea di un gran numero di casi CFD. TLG Aerospace è inoltre in grado di eseguire regolarmente simulazioni molto dettagliate di grandi dimensioni, e la maggior parte dei modelli viene eseguita in meno di un'ora, indipendentemente dalle dimensioni, cosa che prima non era possibile.

Utilizzando l'elaborazione elastica con AWS, TLG Aerospace offre un risparmio del 75% sul costo totale per la simulazione CFD. La tecnologia alla base di questa funzione è Amazon EC2 Spot Instances, un'offerta di Amazon che consente di sfruttare la capacità di calcolo inutilizzata sul cloud AWS a prezzi ridotti.

La CFD non è utile solo ai fini della certificazione

Le modifiche e le aggiunte agli aeromobili omologati esistenti avranno ripercussioni sui regolamenti. Portare i vecchi velivoli ai limiti dell'inviluppo di volo con nuove modifiche è pericoloso, costoso e richiede tempo. La FAA autorizza l'uso della CFD come mezzo per dimostrare che la conformità dell'aeromobile originale non è cambiata a causa delle modifiche. Aziende come TLG Aerospace hanno adottato la CFD con entusiasmo, utilizzandola per generare dati e argomenti di supporto per dimostrare la conformità.

"In passato, gli ingegneri dovevano eseguire test in seguito a ogni modifica apportata, senza farsi tante domande. Ora la CFD fornisce i dati necessari per cercare di eliminare alcuni requisiti di test", afferma McComas.

Altre applicazioni della CFD nel processo di certificazione includono carico di pressione su strutture secondarie, carenature, antenne e radome, accumulo di ghiaccio, posizione del sistema di dati aerei, flussi interni, alette di estremità e altro ancora.

Ecco un possibile scenario: immaginiamo che sull'aereo venga montato un nuovo radome. Per rispettare le normative, ora il produttore deve dimostrare che se la struttura dovesse staccarsi dall'aereo, la separazione avverrebbe in modo sicuro e senza alcun impatto. Non è così semplice rompere un radome durante un test di volo! Altrettanto difficile è dimostrare che la formazione di ghiaccio sulla nuova struttura non influisce sulla conformità e sulla sicurezza operativa.

"L'unica opzione possibile in questo caso consiste nell'utilizzare un'analisi validata per dimostrare che la struttura soddisfa i criteri di separazione sicura", afferma McComas. "Per TLG Aerospace, Simcenter STAR-CCM+ dispone di tutti gli strumenti integrati per eseguire questi calcoli senza altri software di terze parti".

Inoltre, anche la diffusione di nuovi velivoli innovativi come droni e aerotaxi, aerei militari, aerei supersonici e altro ancora trarrà beneficio dalla certificazione basata su analisi.

La CFD al centro del processo di certificazione

"Simcenter STAR-CCM+ ci ha consentito di ottenere numerose certificazioni approvate dalla FAA", afferma McComas. "Il software gioca un ruolo importante in ogni singolo programma di certificazione di TLG Aerospace".

È improbabile che la CFD possa sostituire completamente i test in galleria del vento, poiché i computer, i codici e le licenze si evolvono continuamente. Ciononostante, il ruolo della CFD nel processo di certificazione non potrà che diventare sempre più centrale in termini di supporto e integrazione dei test di volo.

Per ora, aziende come TLG Aerospace hanno trovato nella CFD uno strumento di certificazione affidabile, in grado di svolgere tutto il lavoro gravoso associato alla dimostrazione della conformità agli estremi degli inviluppi di volo, ridurre il numero di condizioni per i test di volo, consentire i test con carichi minori e prevedere i potenziali rischi associati ai test. Le licenze flessibili e l'elasticità di calcolo offrono un ulteriore supporto alla certificazione basata sull'analisi.

"Ora possiamo fare offerte d'appalto per progetti di ampio respiro, essere più competitivi, garantire un risparmio ai nostri clienti e fare molto di più con i nostri capitali", afferma McComas.