SUPPORTO ALLA DEFINIZIONE DI SISTEMI, A LIVELLO CONCETTUALE, MEDIANTE STRUMENTI DI MODELLAZIONE E SIMULAZIONE

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1 SUPPORTO ALLA DEFINIZIONE DI SISTEMI, A LIVELLO CONCETTUALE, MEDIANTE STRUMENTI DI MODELLAZIONE E SIMULAZIONE ABSTRACT Sergio CHIESA*, Alessandro CHIESA*, Vincenzo CHILLE ^, Alessandro ROUGIER^, Nicole VIOLA* *S.P.A.I.C.srl Spin-Off del Politecnico di Torino ^ Dipartimento di Ingegneria Aeronautica e Spaziale del Politecnico di Torino Lo sviluppo di nuovi Sistemi, ovvero di mezzi complessi e sofisticati come tipicamente sono gli aeromobili, vede una sempre maggior rilevanza delle primissime fasi progettuali, quelle in cui si definiscono le macroscelte che definitivamente caratterizzeranno il futuro prodotto. Quanto visto è tanto più vero quando ad essere concepito non è solo un prodotto (ad es. un aeromobile) ma un più complesso sistema in cui esso è inserito (ad es un sistema di sorveglianza e monitoraggio del territorio in cui sono inseriti uno o più velivoli unmanned ). E anche chiaro che in tali fasi del progetto, la forzatamente ancor poco approfondita definizione dei concetti, a parte costituire un oggettiva difficoltà per le scelte progettuali, rende difficile la valutazione degli stessi, basilare per la decisione di procedere o meno per ulteriori sviluppi. Una valida soluzione appare essere la possibilità di realizzare modelli virtuali dei concetti, modelli che siano graficamente espressivi e con dinamica verisimile, pur avendo a disposizione ancora pochi dati; è però ovvio che gli strumenti per realizzare tali modelli dovrebbero essere anche semplici, di facile uso ed economici, se li si vuol usare in fasi di sviluppo sovente non ancora finanziate e con ancora scarsa definizione tecnica. Alle suddette specifiche gli autori hanno rilevato che una buona risposta è data dal SW X-PLANE, di Laminar-Research, SW che è stato attentamente considerato come complementare delle metodologie per il Conceptual Design (o Avamprogetto ) degli aeromobili, cui il Gruppo di Ricerca in Ingegneria Sistemistica Aerospaziale in cui essi operano, da sempre è interessato. In particolare le metodologie sviluppate prevedono l utilizzo del CAD 3D parametrico in modo da definire armonicamente l architettura e il dimensionamento dei concetti elaborati; l aggiunta di una capacità di visualizzare, con un modello dinamico, i risultati dell avamprogetto appare di sicuro interesse, per cui presso S.P.A.I.C.srl, spin-off del Politecnico, originata dal suddetto Gruppo di ricerca, è iniziata attenta attività di benchmarking sul suddetto SW X-PLANE. 1

2 1-INTRODUZIONE Nello sviluppo di complessi sistemi come tipicamente sono i moderni aeroplani, un ruolo fondamentale è giocato dalle primissime fasi del progetto, usualmente indicate come Conceptual Design o Avamprogetto [1]. Come dice il nome è in questa fase che si materializza un concetto di aeroplano, ossia si definiscono le caratteristiche principali e massimamente caratterizzanti del futuro aeroplano. Quel che si otterrà sarà un progetto ancor poco definito e di cui è quindi impossibile l immediata messa in produzione ma che è già sufficiente per una effettiva comparazione con altre alternative di progetto, ossia altri concetti, mirati al soddisfacimento degli stessi requisiti, con potenziali concorrenti, con le aspettative dei potenziali Clienti. E ovvio che da tale comparazione potrà derivare la decisione di procedere nello sviluppo, fino alla realizzazione pratica del prodotto che comunque manterrà le caratteristiche salienti definite appunto nel conceptual design. A fronte di tali criticità e alla luce dell entità delle decisioni che si potranno prendere sulla base dei risultati da esso ottenuti, il conceptual design si presenta non facile in quanto la ancor scarsa definizione non permette di ottenere risultati univoci con metodologie affidabili. Come si vede in Fig. 1, il conceptual design deve effettuare sia scelte qualitative che scelte quantitative; mentre per le prime si ricorre a modelli matematici, seppur semplificati e in parte di tipo euristico, per quanto riguarda le scelte qualitative esse non possono che essere effettuate mediante modellazioni grafiche e loro valutazione. La necessità di velocizzare le metodologie per esaminare un gran numero di soluzioni, applicando ai suddetti modelli matematici ben note tecniche di analisi parametriche o metodologie di ottimizzazione, ha portato per lungo Fig. 1 2

3 tempo a trascurare gli aspetti di scelte qualitative o architettoniche che mal si prestavano ad essere matematicizzate e quindi inserite nei loop di analisi parametrica e/o di ottimizzazione; semplicemente le scelte architettoniche, ossia il disegno erano parzialmente anticipate (con scarsa influenza sulla successiva attività sul modello matematico) e, in maggior misura rimandate alla fase successiva, assumendo un ruolo di visualizzazione dei risultati numerici ottenuti (le scelte quantitative ) ancora una volta senza averli influenzati. Un primo grosso miglioramento si è avuto con l introduzione dei moderni CAD-3D parametrici, che hanno trasformato il conceptual design in un succedersi di alternanze di attività di calcolo e attività di disegno, ovviamente automatizzato [2]. Tuttavia come mostra la Fig. 1 non è facile far partire la modellazione CAD dalle fasi estremamente iniziali, anche a monte delle primissime scelte qualitative; inevitabilmente resta una attività di disegno manuale o basata sull utilizzo di semplici programmi grafici, attività che agevola l avvio delle prime definizioni al CAD-3D ed in esse presto confluisce. La successiva Fig. 2 mostra come il processo di conceptual design, così definito, possa essere grandemente migliorato, sotto molteplici aspetti, con un minimo sforzo riguardante proprio la fase di preliminarissimo disegno, precedente l avvio del CAD. L opportunità intravista dagli Autori è quella di utilizzare un particolare SW grafico che facilmente permette di schizzare una configurazione di aeroplano sulla base dei primi risultati numerici ottenibili e inserendo parecchie scelte qualitative, che possono essere ipotizzate, in quanto lo stesso SW offrirà l opportunità di verificarne la bontà o meno, in questo caso fornendo indicazioni su come modificarle. Fig. 2 Il grande vantaggio di questo SW, chiamato X-PLANE, a parte la facilità nell eseguire abbastanza facilmente e rapidamente schizzi anche piuttosto dettagliati (aspetti che certamente faciliteranno la 3

4 successiva modellazione CAD-3D), è quello di fornire automaticamente, a partire solo dal suddetto schizzo, un modello aeromeccanico del velivolo con una dinamica realistica e ben rapportata alle scelte qualitative e quantitative incorporate nello schizzo; si avrà quindi un feed-back sul conceptual design legato al comportamento aeromeccanico del progetto, feed-back che, senza X-PLANE, sarebbe disponibile solo molto più tardi. Ulteriori vantaggi sono dati dal fatto che il suddetto modello aeromeccanico, oltre a fornire un indubbio contributo a meglio definire il concept studiato, potrà essere inserito in un simulatore di volo in tempo reale o utilizzato per simulazioni di operatività in enviroment definibili a piacere; in altri termini, la comparabilità dei concetti elaborati (ricordiamo, scopo principale dell atttività di avamprogetto) risulterà enormemente incrementata. 2 Il SW X- PLANE X-PLANE è nato come uno dei più completi e potenti simulatori di volo per personal computer. E prodotto dalla Laminar Research Inc. ed è disponibile per diversi sistemi operativi (Linux, Mac OS X e Windows). X-PLANE offre il più realistico modello dinamico per simulatori, in quanto non è un comune simulatore per uso ludico, ma uno strumento ingegneristico che può essere usato per predire le flying qualities di velivoli ad ala fissa o rotante. L accuratezza tipica del software lo rende uno strumento utile per studiare le prestazioni e la manovrabilità di un velivolo. Per questo viene usato in vari modi da diverse tipologie di utenti: - dai piloti, come mezzo ai fini di addestramento, grazie ad un simulatore che vola come un aereo vero ; - dagli ingegneri, per stimare quelle che sono le caratteristiche dinamiche di un velivolo; - da tutti gli appassionati di aeronautica a scopo di divertimento. X-PLANE supporta dinamiche di volo sia subsoniche che supersoniche, permettendo all utente di studiare le caratteristiche di moltissimi velivoli. Si hanno a disposizione diversi scenari di simulazione sulla Terra ed è possibile atterrare e decollare da uno dei circa aeroporti presenti, oltre che da portaerei, piattaforme su grattacieli o dal mare. E possibile scegliere le condizioni meteorologiche in cui avviare la simulazione ed inoltre possono essere simulati anche i guasti/ failures dei sistemi in modo dettagliato, dalla strumentazione ai motori, dai comandi di volo al carrello. La versatilità e flessibilità di X-PLANE permette di personalizzare un velivolo dotandolo di forma o configurazione particolare attraverso l utilizzo di un software della suite di X-PLANE, cui si riferisce la Fig.3. X-PLANE, infatti, è distribuito insieme ad altri software per realizzare e modificare nuovi velivoli e scenari. Fra questi il principale è PLANE-MAKER, che permette di creare il proprio velivolo o di modificarne uno esistente. Il pacchetto dei softwares include inoltre: - AIRFOIL-MAKER, per creare un profilo aerodinamico e studiarne le prestazioni, - WORLD-MAKER, per creare il proprio scenario di simulazione; 4

5 - WEATHER-BRIEFER, che serve per vedere quali sono le condizioni meteo nel caso in cui si scelga di scaricare quelle reali da internet. Fig. 3 Con la versione 8.60, X-PLANE è certificato FAA per l'utilizzo come trainer in congiunzione ad hardware parimenti certificati; è utilizzato da Japan Airlines (JAL) come piattaforma trainer per il Garmin G1000 e allo stesso modo è adottato da Cessna per l'addestramento degli acquirenti del C172 "glass cockpit" dotato di G1000. Il software PLANE MAKER è un programma che fa parte del pacchetto di X-PLANE e permette di introdurre il proprio velivolo nel simulatore. Dopo aver immesso tutte le caratteristiche fisiche del velivolo, come pesi, apertura alare, deflessioni delle superfici di controllo, spinta dei motori, profili alari, ecc, X-PLANE è in grado di determinare come volerà quell aeroplano. Basta semplicemente salvare il modello realizzato con PLANE-MAKER e poi aprirlo con il simulatore per pilotarlo. Tale strumento, può permettere ad un azienda, dopo aver progettato un nuovo velivolo, di inserire il progetto in PLANE-MAKER, testarlo con X-PLANE e farlo provare a potenziali clienti. Oppure in avamprogetto, quando si hanno a disposizione varie configurazioni per uno stesso velivolo, PLANE- MAKER e X-PLANE possono essere usati come strumenti per la scelta della configurazione da sviluppare in dettaglio. Attraverso PLANE MAKER, è possibile, come si vede in Fig.4, modellare fusoliera, ala, impennaggi, carrello, superfici mobili, gondole motori, altri corpi complessi (misc bodies e misc wings) per creare velivoli anche avveniristici; inoltre è necessario assegnare al software dei dati, in genere disponibili in avamprogetto riguardanti le specifiche del motore, le velocità caratteristiche, le escursioni delle 5

6 superfici mobili, i pesi tipici e la posizione del baricentro nonché la capacità e il posizionamento dei serbatoi ). Fig. 4 Fig. 5 6

7 Fig. 6 Il velivolo può inoltre essere personalizzato in termini estetici, assegnandogli una livrea creata facilmente dall utente e personalizzando la strumentazione di bordo, con il design del cockpit, sia in due che in tre dimensioni. La qualità grafica risulta essere particolarmente dettagliata (vedasi a titolo esplicativo, Fig.5), sia in termini di design del velivolo che in termini di scenario in cui l aereo sarà fatto volare attraverso il simulatore. Il velivolo, progettato e realizzato in PLANE MAKER, diventa a tutti gli effetti, un modello virtuale pronto al volo attraverso il simulatore/software X-PLANE. L utente può essere interfacciato coi comandi del velivolo o attraverso i tasti della tastiera o attraverso l utilizzo di hardware di tipo commerciale, come un comune joystick (Fig.6). Il modello dinamico del simulatore X-PLANE si basa sulla Teoria dell elemento di pala: il software assimila la geometria di un velivolo e poi deduce, mediante calcoli, come quell'aereo volerà. Il velivolo viene prima suddiviso in piccoli elementi e successivamente si ricavano le forze che agiscono su ogni elemento, con campionamenti ogni decimo di secondo circa. Tali forze sono poi convertite in accelerazioni, le quali integrate forniscono velocità e posizioni. In questo modo si è in grado di replicare in modo abbastanza fedele il comportamento in volo di una vasta gamma di velivoli, a partire dalla configurazione aerodinamica del velivolo e da altre poche informazioni essenziali. Per questo motivo si possono dunque prevedere le caratteristiche di volo di velivoli di fantasia o non ancora realizzati, come nel caso del velivolo studiato in questa ricerca. Infine la versatilità di tale software permette di simulare le condizioni di volo di velivoli dalle caratteristiche più disparate, come ad esempio: velivoli a spinta vettoriale, a geometria variabile, a configurazione instabile, a propulsione mista, autogiri, aerospazioplani e navette spaziali, aerostati, ecc 7

8 Fig. 7 Durante la fase di simulazione l utente può salvare alcune variabili legate a caratteristiche aeromeccaniche, da cui derivare diagrammi utili ai fini della meccanica e della dinamica del volo del velivolo. Tali variabili, vengono salvate in un file denominato Cycle Dump.txt, che può essere esportato in un foglio Excel, da cui è possibile estrapolare i grafici richiesti. Si possono dunque, come esemplificato in Fig. 7, ricavare curve Cl-alpha, curve Cm-alpha, time-history della dinamica nel piano longitudinale e i diagrammi di manovra e inviluppo. Durante la simulazione l utente può inoltre visualizzare i vettori delle forze aerodinamiche agenti sulle superfici portanti. Definito il modello del velivolo e testate le prestazioni dello stesso nell ambiente di simulazione descritto, il passo successivo del flusso di progetto consiste nel verificare che il sistema completo velivolo-payload sia efficace se inserito nel proprio scenario operativo. Una verifica di tale tipo, cui si riferisce la Fig. 8, è resa possibile, ad esempio, dal Software commerciale STK (Satellite Tool Kit) distribuito dalla AGI e disponibile a scopo di ricerca pre-competitiva presso il Dipartimento di Ingegneria Aeronautica e Spaziale del Politecnico di Torino. Nato per l impiego in simulazioni in ambiente spaziale (come da titolo), questo software include una suite che permette di realizzare scenari di missioni aeronautiche in maniera completa e dettagliata, in termini di attori ( assets ) presenti nello scenario stesso e di payload avionici (soprattutto avionica di osservazione e comunicazione). Come già accennato, si approda a questa fase di verifica dell efficacia a seguito del completamento dell analisi effettuata sul modello in X-PLANE: nelle maschere di definizione dello scenario presentate dal 8

9 programma STK è necessario inserire i dati richiesti, in particolare le prestazioni del velivolo e le caratteristiche dei sistemi avionici che si ha intenzione di simulare, per garantire una risultato quanto più affidabile possibile. L output del programma, differente a seconda del tipo di missione simulata, è volto alla verifica del soddisfacimento dei requisiti di missione. Nel caso, ad esempio, di una missione di sorveglianza (vedi Fig. 8), output del programma sarà un report completo della copertura dei sensori che il velivolo porta con sé relativamente agli altri attori presenti nello scenario, siano essi installazioni terrestri o altri mezzi, e di conseguenza una verifica del fatto che la combinazione delle prestazioni del velivolo e delle caratteristiche tecniche dei sensori consenta il soddisfacimento dei requisiti di missione definiti all inizio della progettazione. Fig. 8 3 CONCLUSIONI I software qui presentati offrono un grande contributo, in termini di definizione e qualità dei risultati, alle attività di progettazione concettuale. Risultano inoltre utili in termini di visualizzazione e valutazione di progetti e concetti e attraverso il loro utilizzo è possibile simulare un volo e valutare le caratteristiche aeromeccaniche con estremo anticipo. 9

10 Bibliografia [1] ANTONA E., CHIESA S.,CORPINO S., VIOLA N., L avamprogetto dei velivoli, memoria de L accademia delle Scienze di Torino, presentata nell adunanza del 12 Marzo ) [2] S.CHIESA, M.DI SCIUVA, D.CAMATTI, S.CORPINO, M.PASQUINO, Utilizzo di CAD 3D parametrico per studi di configurazione e Digital Mock-up nel progetto concettuale, AIDAA Congress, Turin, Nov [3] About X-Plane, Manual V9, 2008, Laminar Research [4] How X-Plane Works, Appendix A, Manual V9, 2008, Laminar Research [5] Custom Aircraft Files, Appendix E, Manual V9, 2008, Laminar Research [6] [7] [6] [7] CHIESA S.; CORPINO S; FIORITI M; VIOLA N, Virtuals and Flying Models for Aircraft Development, AVIATION, pp. 3-12, 2007, Vol. 11, ISSN: [8] [9] [10] CRISAFULLI D.,Virtual Reality in avamprogetto di sistemi aerospaziali, Tesi di Laurea Magistrale in Ing.Aerospaziale, Politecnico di Torino, Marzo 2009, relatori CHIESA S.,VIOLA N.. 10